第十二章 感应同步器及应用

第十二章感应同步器及应用§1 感应同步器的结构和特点一、结构感应同步器是一种将直线位移或转角位移转化成电信号的传感器。

从原理上看，它与我们前面讲到的旋转变压器并无实质的区别，但是从结构上看，则与旋转变压器（及一般的其他控制电机）大不相同。

无论哪一种感应同步器，其结构都包括固定和运动两部分。

它的可动部分与不动部分上的绕组不是安装在圆筒形和圆柱形的铁心槽内，而是用绝缘粘合剂把铜铂粘牢在称为基板的金属或玻璃平面的薄板上，利用印刷、腐蚀等方法制成曲折形状的平面绕组，其工艺过程与电子工业中的印刷电路相同，故称为印刷绕组。

感应同步器按其运动方式和结构形式的不同，可分为圆盘式（或称旋转式）和直线式两种，前者用来检测角位移，后者用来检测直线位移。

但无论是哪种感应同步器，其工作原理都是相同的。

二、特点1．具有较高的精度和分辨力①感应同步器可以不经任何机械传动直接测量仪器或机床的线位移或角位移，所以其测量精度首先取决于感应同步器本身的加工精度，这可由加工精度来保证。

②长感应同步器的基板与安装部件材料相近，热膨胀系数相近，圆感应同步器的基板受热后各方向的膨胀对应于圆心，所以温度变化对其影响不大。

③感应同步器的极对数很多，不是几十，而是几百上千，这样多的极对数同时参加工作，误差的平均效应减小了局部误差的影响。

④感应同步器的分辨率取决于原始信号质量与电子细分电路的信噪比及电子比较器的分辨率，前者可通过控制印刷电路绕组的加工精度、稳定激磁电压、限制气隙变化等措155施来解决，后者可通过线路的精心设计和采取严密的抗干扰措施来解决。

目前长感应同步器的精度可达到±1.5μm，分辨率0.05μm，重复性0.2μm，直径为300mm（12英寸）的圆感应同步器的精度可达±1″，分辨率0.05″，重复性0.1″。

这些性能，旋转变压器是达不到的。

2．抗干扰能力强感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置，在任何时间内都可以给出仅与位置量相对应的单值电压信号，因而不受瞬时作用的偶然干扰信号的影响。

平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场的影响很小。

3．使用寿命长、维护简单：定尺和滑尺、定子和转子互不接触，没有摩擦、磨损，所以使用寿命长。

它不怕油污、灰尘和冲击振动的影响，不需要经常清扫。

但需装设防护罩，防止铁削等进入其气隙。

4．可以作长距离位移测量可以根据测量长度的需要，将若干根定尺拼接。

拼接后总长度的精度可保持（或稍低于）单个定尺的精度。

目前几米到几十米的大型机床工作台位移的直线测量，大多采用感应同步器来实现。

5．艺性好、成本较低、便于复制和成批生产。

由于感应同步器具有上述优点，直线式感应同步器目前被广泛应用于大位移静态与动态测量中，例如用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中的测量装置、自动定位装置等。

圆感应同步器被广泛地用于机床和仪器的转台，各种回转伺服系统以及导弹制导、陀螺平台、射击控制、雷达天线的定位等。

§2 感应同步器的工作原理一、工作原理感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置而变化的原理而进行工作的。

直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，定尺上是连续绕组，滑尺上是分段绕组，滑尺为正余弦绕组。

其绕组布置如图12–1所示。

滑尺上展开分布着两个印刷电路绕组，每个节距相当于绕组空间分布的周期，又称极距，一般为2mm，用2τ表示。

滑尺与定尺相互面向平行安装，两者保持0.2mm左右距离。

感应同步器的工作原理如图12-2所示。

当定尺绕组加以频率为f，幅值恒定的交流激磁电流I（或电压）时，滑尺156157两绕组将产生与激磁电流频率相同、幅值随两尺相对位置而变化的感应电势e ，滑尺某一绕组与定尺绕组完全重合时，磁通耦合度最大，故该滑尺感应的电势最大；两绕组错开1/4节距（即1/4*2τ=0.5τ）时，滑尺耦合的正负磁通互相抵消，感应电势为零；互相错开1/2节距时，感应的电势与绕组重合时的感应电势幅值相同而相位相反。

设定尺激磁电压u 0=U m sin ωt ，绕组在图12-2所示位置时为位移x 的零点，则绕组A 的感应电势为U A =kU 0cos θ=kU m sin ωt cos θ （1）式中，k 为耦合系数，相移θ由下式决定：θ= 2π*x/2τ=πx/τ （2）故绕组A 称为余弦绕组。

同理，绕组B 的感应电势为U B =kU 0sin θ=kU m sin ωt sin θ （3）故绕组B 称为正弦绕组。

上述输出信号是各极输出信号的平均结果，误差可以得到均衡补偿，故精度较高。

二、感应同步器的工作方式有了两相输出，便能确切的反映一个空间周期的任何角度位移的变化。

为了输出角度图12-2 感应同步器工作原理图12-1 感应同步器绕组布置158 和位移，需要对输出信号进行处理。

根据不同的激磁方式，感应同步器有两种工种方式：幅值工作方式和相位工作方式。

（一）幅值工作方式幅值工作方式的原理是利用感应同步器的输出电势的幅值随着定尺与动尺之间的相对位移而呈正弦或余弦函数规律变化的原理进行工作的。

1．对定尺激磁的方式设定尺激磁电压 u 0 = U m sin ωt ， 则绕组的A 感应电势为u A = ku 0cos θ=kU m sin ωt cos θ 绕组B 的感应电势为u B = ku 0sin θ=kU m sin ωt sin θ 定尺激磁时，绕组A 、B 的感应电势表达式为式（1）和（3）所示。

通过解调电路将它们解调之后可得到12–3图所示的正、余弦电压，用鉴零电路在每个过零点形成一个脉冲，则每出现一个脉冲，相当于滑尺移过τ/2节距。

用计数器对脉冲进行计数，就可以得到总的移动距离。

由两曲线的相对关系还可判断运动方向：如正走时为u A 超前于u B 。

则反走时u B 超前于u A 。

2．对滑尺两绕组激磁的方式若在A 、B 两绕组上加以频率和相位相同，但幅值为某一已知角度θ1的正弦和余弦函数的激磁电压，即u A = U m sin θ1sin ωt u B = U m cos θ1sin ωt则因感应同步器工作在线性状态，定尺绕组感应电动势为U A ，U B 单独激磁时感应电势的叠加。

当滑尺右移θ度时，有u 0 = k u A cos θ-k u B sin θ= k(U m sin θ1sin ωt) cos θ–k(U m cos θ1sin ωt) sin θ = kU m sin ωt sin(θ1-θ) （4）图12-3 定尺激磁的正、余弦电压其中θ为滑尺相对于定尺的相移。

θ与x有关，θ=πx/τ，故为滑尺移动某一距离x 后对应的相角。

如果θ1对应于指令位移x1，同样因有θ1=πx1/τ，故式（4）反映了位置误差（x1- x），当负载位移未达到指令要求值时，x1≠x时，定尺感应电势u0≠0，该电势经检波放大成直流信号控制伺服电机工作，带动负载移动，直至x1=x时，θ1=θ使u0 = 0为止。

式（4）是鉴幅工作方式的基本方程式。

当x1= x时，u0 = 0，鉴幅方式使用时就是利用这一特点，因此鉴幅工作方式也可以称为鉴零工作方式。

运动方向的判别：滑尺右移时，u0表达式见式（4）；若指令位移为–θ1，则u0 =–kU m sinωt sin(θ1–θ)。

故若u0以U m sinωt为基准进行相敏检波，即可控制运动方向。

（二）相位工作方式若在滑尺A、B两绕组上加以频率和幅值相同，但相位差90º的交流激磁电压，即u A = U m sinωt，u B = U m cosωt又设起始时绕组A与定尺绕组重合，则当滑尺移动时，定尺上感应的电势为u0 = kU m sinωtcosθ+ kU m cosωtsinθ= kU m sin（ωt+θ）可见，定尺感应电势u0的相移θ与滑尺的直线位移x有严格的比例关系，可通过相移测量求得滑尺的直线位移。

上式与旋转变压器一样，利用输出电压与输入电压的相位差θ角测量位移，这就是鉴相工作方式的感应同步器的工作原理，感应同步器的定、滑尺之间的相对位移被变换成输出电势的相位差，两者成线性关系。

§3 感应同步器应用系统一、在机械加工中的应用各种金属切削机床，特别是大型和重型机床，在加工大尺寸的工件和进行特殊加工工艺时采用感应同步器与数字显示装置组成的成套测量装置，可以大大提高加工精度，保证加工质量，减轻劳动强度，提高生产效率。

这种与感应同步器配套使用的数字显示装置，称为数码显示表。

它即向感应同步器提供所需要的激磁电压，又可将感应同步器输出的电势所反映的位移量用数字显示出来，使用方便直观，在机械加工工业中已得到越来越广泛的应用。

例如，大型和重型立式车床，因加工工件的尺寸大，所用的量具不但体积大而且相当笨重，常用的游标卡尺一般重约十159几公斤，有的甚至重达四十公斤，既消耗体力大，又不易测量准确。

如果采用数码表检测装置，就可解决上述问题。

具体的方法是利用两套直线式感应同步器和数显表分别作为水平和竖直两坐标位移测量装置。

安装方式只要便于安装即可。

例如可将一台感应同步器的定、滑尺分别安装在横梁和右垂直刀架的溜板上，另一台感应同步器的定、滑尺分别安装在右垂直刀架的滑枕和滑座上。

这样当右垂直刀架移动时，便可由安装在操纵台上的两台数显表分别读出水平和垂直的两坐标的位移量。

按感应同步器的工作方式不同，数显表也可分为鉴幅型和鉴相型两大类。

1．普通鉴幅型数显表图12-4 鉴幅型数显表工作原理方框图普通鉴幅型数显示表的工作原理如图12–4所示。

设开始时，感应同步器的θ=θ1，定尺输出电压u0 = 0，系统处于平衡状态。

当滑尺移动后，θ≠θ1，u0≠0，但由于u0很小，需经放大电路放大后才能实现控制，并经滤波电路将非工作频率的干扰波形滤掉后，与比较电路的基准电位比较。

当位移量超过一定值，例如超过0.01mm时，经放大滤波后的u0超过比较电路的基准电位，该电压经模数转换电路转换为脉冲，此脉冲进入显示计数器，显示出位移量0.01mm，同时又经数模转换电路改变励磁电压的幅角θ，使θ跟踪θ1，这样，当位移量每超过0.01mm,输出电压大于门槛电路的基准电位，模数转换电路便输出一个脉冲，数模转换电路也就改变θ一次。

显示计数器将脉冲累计起来，并读出位移总量。

图12-5 鉴相型数显表工作原理方框图2．普通鉴相型数显表普通鉴相型数显表的工作原理如图12–5所示。

两相励磁电压由励磁电源供给。

定尺输出电压经放大滤波后，与数字相位转换电路160161（脉冲移相器）的输出电压一起输入鉴相器。

设开始时，鉴相器两输入电压的相位相同，即θ=Φ，鉴相器没有输出，系统处于平衡状态。

当滑尺移动后，θ≠Φ，鉴相器有了输出，经相位数字转换器将其转换成脉冲，滑尺每移动一定距离，例如移动0.01mm ，相位数字转换电路将鉴相器的输出电压转换为一个脉冲，该脉冲又进入数字相位转换电路，使Φ跟踪θ。