第5数控机床的位置传感器件下

中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学第第5章数控机床的位置传感器件（下）章数控机床的位置传感器件（下）中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学5.4感应同步器感应同步器 感应同步器是一种电磁式高精度位置检测装置。按其结构特点一般分为直线式感应同步器是一种电磁式高精度位置检测装置。按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量；旋转式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量；旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。感应同步器具有检测精度比较高、感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。感应同步器具有检测精度比较高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点。本节仅以直线式感应抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点。本节仅以直线式感应同步器为例，对其结构特点和工作原理进行叙述。同步器为例，对其结构特点和工作原理进行叙述。一、工作原理一、工作原理 感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图如图3-11所示。定尺与滑尺平行安装，且保所示。定尺与滑尺平行安装，且保持一定的间隙。定尺上有单向均匀连续感应持一定的间隙。定尺上有单向均匀连续感应绕组，其节距用绕组，其节距用2表示，每个节距相当于绕表示，每个节距相当于绕组空间分布的一个组空间分布的一个2周期。滑尺上有两组励周期。滑尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组磁绕组，一组为正弦励磁绕组A，另一组为余，另一组为余弦励磁绕组弦励磁绕组B，两绕组的节距与定尺绕组的节，两绕组的节距与定尺绕组的节距相等，并相互错开距相等，并相互错开1/4节距排列。当正弦励节距排列。当正弦励磁绕组磁绕组A的线圈和定尺对准时，余弦励磁绕组的线圈和定尺对准时，余弦励磁绕组的线圈与定尺相差的线圈与定尺相差/2的距离，即二者相差的距离，即二者相差/2的电角度。的电角度。图图3-11 中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学图图3-12 同步感应器工作原理同步感应器工作原理 当向滑尺的两个绕组中的任一绕组通以交变激磁当向滑尺的两个绕组中的任一绕组通以交变激磁电压时，则在滑尺绕组中产生励磁电流，绕组周围产电压时，则在滑尺绕组中产生励磁电流，绕组周围产生变化的磁场，由于电磁效应，定尺绕组上必然产生生变化的磁场，由于电磁效应，定尺绕组上必然产生相应的感应电势，感应电势的大小取决于滑尺相对于相应的感应电势，感应电势的大小取决于滑尺相对于定尺的位置。当滑尺与定尺产生相对位移时，由于电定尺的位置。当滑尺与定尺产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上的感应电势随位移的变化而磁耦合的变化，使定尺上的感应电势随位移的变化而变化。图变化。图3-123-12给出了滑尺相对于定尺处于不同的位置给出了滑尺相对于定尺处于不同的位置时，定尺绕组中感应电势的变化情况。图中时，定尺绕组中感应电势的变化情况。图中A A点表示滑点表示滑尺绕组与定尺绕组重合，这时定尺绕组中的感应电势尺绕组与定尺绕组重合，这时定尺绕组中的感应电势最大；如果滑尺相对于定尺从最大；如果滑尺相对于定尺从A A点逐渐向左点逐渐向左(或右或右)平行平行移动，感应电势就随之逐渐减小，在两绕组刚好错开移动，感应电势就随之逐渐减小，在两绕组刚好错开1 14 4节距的位置节距的位置B B点，感应电势减为零；若再继续移动，点，感应电势减为零；若再继续移动，移到移到1 12 2节距的节距的C C点，感应电势值与点，感应电势值与A A点相同，但极性点相同，但极性相反；到达相反；到达3 34 4节距的节距的D D点时，感应电势再一次变为点时，感应电势再一次变为零；其后，移动了一个节距到达零；其后，移动了一个节距到达E点，情况就又与点，情况就又与A点点相同了，相当于又回到了相同了，相当于又回到了A点。这样，滑尺在移动一个点。这样，滑尺在移动一个节距的过程中，感应同步器定尺绕组中的感应电势近节距的过程中，感应同步器定尺绕组中的感应电势近似于余弦函数变化了一个周期。同步感应器就是利用似于余弦函数变化了一个周期。同步感应器就是利用这个感应电势的变化来进行位置检测的。这个感应电势的变化来进行位置检测的。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学二、感应同步器的工作方式二、感应同步器的工作方式 根据施加的励磁交变电压信号的不同，感应同步器也分为鉴相式和鉴幅式两种根据施加的励磁交变电压信号的不同，感应同步器也分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式。工作方式。sin （414）SmVVt 给滑尺绕组给滑尺绕组A A和绕组和绕组B B分别通以幅值、频率相同，而相位差为分别通以幅值、频率相同，而相位差为9090的交流励磁的交流励磁电压，即电压，即 1、鉴相工作方式、鉴相工作方式（3-11）若起始时滑尺的正弦绕组与定尺绕组重合，当滑尺移动时，滑尺的正弦绕若起始时滑尺的正弦绕组与定尺绕组重合，当滑尺移动时，滑尺的正弦绕组与定尺绕组不重合，当滑尺移动组与定尺绕组不重合，当滑尺移动X距离时，则在定尺上的感应电势为距离时，则在定尺上的感应电势为 VBs=KVsCOS=KVm COSsint式中：式中：K电耦合系数；电耦合系数；Vm 励磁电压幅值；励磁电压幅值；滑尺绕组相对于定尺的空间电气相位角，反映的是定尺和滑尺的相滑尺绕组相对于定尺的空间电气相位角，反映的是定尺和滑尺的相 对移动的距离对移动的距离X，可用下式表示：，可用下式表示：=(22)X=()X（312）中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学 滑尺的正弦绕组滑尺的正弦绕组A与定尺的感应绕组重合时，滑尺余弦绕组与定尺的感应绕组重合时，滑尺余弦绕组B与定尺绕组相差与定尺绕组相差1/4节距，它在定尺上的感应电势为节距，它在定尺上的感应电势为 VB K=KVKCOS（+/2）=KVmCOStsin应用叠加原理可知，定尺绕组中的感应电势为应用叠加原理可知，定尺绕组中的感应电势为 VB=VBs+VB K=-KVmsin(t-)(3-13)从式（从式（3-13）中可以看出，在鉴相工作方式中，由于耦合系数）中可以看出，在鉴相工作方式中，由于耦合系数K、励磁电、励磁电压幅值压幅值Vm以及频率以及频率t均是常数，所以定尺的感应电势均是常数，所以定尺的感应电势VB只随空间相位角只随空间相位角的变的变化而变化，因此，可以通过鉴别定尺感应电势的相位，即可测得滑尺与定尺间化而变化，因此，可以通过鉴别定尺感应电势的相位，即可测得滑尺与定尺间的相对位移。的相对位移。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学给滑尺绕组给滑尺绕组A和绕组和绕组B分别通以相位、频率相同，但幅值不同的励磁交流电压分别通以相位、频率相同，但幅值不同的励磁交流电压 2、鉴幅工作方式、鉴幅工作方式（3-14）式中式中 Vm sin、Vm COS为两励磁交流电压的幅值，则定尺上的叠加感应电势为为两励磁交流电压的幅值，则定尺上的叠加感应电势为 VB=KVmsinsintCOS+KVm COSsintCOS（+/2）=KVm sint sin（-）（3-15）=KVmsinsintCOS-KVm COSsintsin=KVm sint（sinCOS-COSsin）中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学5.5旋转变压器旋转变压器 旋转变压器是一种常用的角位移检测装置，由于它结构简单、动作灵敏、旋转变压器是一种常用的角位移检测装置，由于它结构简单、动作灵敏、工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此被广泛应用在半闭环控制工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此被广泛应用在半闭环控制的数控机床上。的数控机床上。一、一、旋转变压器的结构旋转变压器的结构 旋转变压器的结构和两相绕线式异步电机的结构相似，可分为定子和转旋转变压器的结构和两相绕线式异步电机的结构相似，可分为定子和转子两大部分。定子和转子的铁芯由铁镍软磁合金或硅钢薄板冲成的槽状芯片子两大部分。定子和转子的铁芯由铁镍软磁合金或硅钢薄板冲成的槽状芯片叠成。它们的绕组分别嵌入各自的槽状铁芯内。定子绕组通过固定在壳体上叠成。它们的绕组分别嵌入各自的槽状铁芯内。定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学 图图3-7是有刷式旋转变压器。它的转子绕组通过滑环和电刷直接引出，其是有刷式旋转变压器。它的转子绕组通过滑环和电刷直接引出，其特点是结构简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压特点是结构简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也较短。器的可靠性差，寿命也较短。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学 图图38是无刷式旋转变压器。它分为两大部分，即旋转变压器本体和附加变是无刷式旋转变压器。它分为两大部分，即旋转变压器本体和附加变压器。附加变压器的原、副边铁芯及其线圈均成环形，分别固定于转子轴和壳体压器。附加变压器的原、副边铁芯及其线圈均成环形，分别固定于转子轴和壳体上，径向留有一定的间隙。旋转变压器本体的转子绕组与附加变压器原边线圈连上，径向留有一定的间隙。旋转变压器本体的转子绕组与附加变压器原边线圈连在一起，在附加变压器原边线圈中的电信号，即转子绕组中的电信号，通过电磁在一起，在附加变压器原边线圈中的电信号，即转子绕组中的电信号，通过电磁耦合，经附加变压器副边线圈间接地送出去。这种结构避免了电刷与滑环之间的耦合，经附加变压器副边线圈间接地送出去。这种结构避免了电刷与滑环之间的不良接触造成的影响，提高了旋转变压器的可靠性及使用寿命，但其体积、质量、不良接触造成的影响，提高了旋转变压器的可靠性及使用寿命，但其体积、质量、成本均有所增加。成本均有所增加。图图3-8无刷式旋转变压器无刷式旋转变压器二、二、旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理 旋转变压器根据互感原理工作，由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转旋转变压器根据互感原理工作，由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子子(旋转一周旋转一周)之间气隙内磁通分布符合正之间气隙内磁通分布符合正/余弦规律，因此，当励磁电压加到定子余弦规律，因此，当励磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电压。图绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电压。图39为单极旋转变压器电为单极旋转变压器电气工作原理图。设加在定子绕组气工作原理图。设加在定子绕组S1S2的励磁电压为的励磁电压为 sin(4 1)SmVVt（33）图图 3-9 单极旋转变压器单极旋转变压器 中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学根据电磁学原理，转子绕组根据电磁学原理，转子绕组B1B2中的感应电势则为中的感应电势则为（34）式中：式中：K旋转变压器的变压比，旋转变压器的变压比，K=N1/N2（N1 为原边绕组匝数；为原边绕组匝数；N2为为 副边绕组匝数）；副边绕组匝数）；Vm 励磁电压幅值；励磁电压幅值；转子偏转角。转子偏转角。由式由式(34)可知，转子绕组输出的感应电势可知，转子绕组输出的感应电势VB为以角速度为以角速度随时间随时间t变化的变化的交变电压信号，随着转子的角向位置呈正弦规律变化。当转子和定子的磁轴垂直交变电压信号，随着转子的角向位置呈正弦规律变化。当转子和定子的磁轴垂直时时,=0，不产生感应电势，不产生感应电势，VB=0；当两磁轴垂直时，；当两磁轴垂直时，=90，感应电势，感应电势VB为为最大，即最大，即 VB=K Vm sint 因此，只要测量出转子绕组中的感应电势因此，只要测量出转子绕组中的感应电势VB的大小，就可间接地得到转子相的大小，就可间接地得到转子相对于定子的位置，即对于定子的位置，即角的大小。如果转子安装在机床丝杠上，定子安装在机床底角的大小。如果转子安装在机床丝杠上，定子安装在机床底座上，则座上，则角代表的是丝杠（被测轴）转过的角度，它间接反映了机床工作台的位角代表的是丝杠（被测轴）转过的角度，它间接反映了机床工作台的位移。移。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学 正弦余弦旋转变压器是常用的一种位置检测元件，其定子绕组和转子绕组正弦余弦旋转变压器是常用的一种位置检测元件，其定子绕组和转子绕组均由两个匝数相等且互相垂直的绕组组成，如图均由两个匝数相等且互相垂直的绕组组成，如图3-10所示。图中所示。图中S1S2为定子为定子主绕组，主绕组，K1K2为定子辅助绕组。转子绕组为定子辅助绕组。转子绕组B1B2输出感应电压输出感应电压VB，另一绕组，另一绕组A1A2接高阻抗，用来补偿转子对定子的电枢反应。接高阻抗，用来补偿转子对定子的电枢反应。图图 3-10 正弦余弦旋转变压器工作原理正弦余弦旋转变压器工作原理 中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学 如果用两个相位差为如果用两个相位差为9090的励磁电压分别加在两个定子绕组上，励磁电的励磁电压分别加在两个定子绕组上，励磁电压的公式为压的公式为（35）（36）则则VS和和VK在转子绕组在转子绕组B1B2上产生的感应电压分别为上产生的感应电压分别为由于感应电压是关于转子偏转角由于感应电压是关于转子偏转角的正弦和余弦函数，所以称为正弦余弦旋转变压器。的正弦和余弦函数，所以称为正弦余弦旋转变压器。VB S=KVm sintsinVB k=KVm costcos中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学三、旋转变压器工作方式三、旋转变压器工作方式 当定子绕组通入不同的励磁电压时，有两种不同的工作方式：鉴相式和当定子绕组通入不同的励磁电压时，有两种不同的工作方式：鉴相式和鉴幅式。鉴幅式。给定子的两个绕组给定子的两个绕组S1S2、K1K2分别通入同幅、同频率但相位差为分别通入同幅、同频率但相位差为90的的励磁电压，当转子顺时针旋转时，根据线性叠加原理，转子绕组励磁电压，当转子顺时针旋转时，根据线性叠加原理，转子绕组B1B2的感应电的感应电势势VB的值为感应电压的值为感应电压VBS和和VBK之和，即之和，即 1鉴相工作方式鉴相工作方式 VB =VB S+VB k=KVm sintsin+KVm costcos=KVmcos(t-)（37）当转子逆时针旋转时，则当转子逆时针旋转时，则 VB =KVmcos(t+)中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学 由此可见，转子输出电压的相位角与转子的偏转角之间有着严格由此可见，转子输出电压的相位角与转子的偏转角之间有着严格的对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以知道转子的的对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以知道转子的偏转角偏转角。在实际应用中，常把定子余弦绕组。在实际应用中，常把定子余弦绕组K1K2励磁电压的相位作励磁电压的相位作为基准相位，与转子绕组为基准相位，与转子绕组B1B2输出电压的相位作比较，用以确定转输出电压的相位作比较，用以确定转子偏转角子偏转角的大小，可得知被测轴的角位移。的大小，可得知被测轴的角位移。2鉴幅式工作方式鉴幅式工作方式 给定子的两个绕组给定子的两个绕组S1S2、K1K2分别通以频率、相位都相同，但幅值不分别通以频率、相位都相同，但幅值不同的交流励磁电压，则有同的交流励磁电压，则有（38）（39）mV sinmV cos12B B式中式中和分别为交流励磁电压分别为交流励磁电压V VS S和和V VK K的幅值。的幅值。为旋转变压器电气角。为旋转变压器电气角。感应电势感应电势V VB B的值为的值为V VBSBS和和V VBKBK之和，即之和，即 转子顺时针旋转时，绕组转子顺时针旋转时，绕组（310）中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学当转子逆时针旋转时，则当转子逆时针旋转时，则 VB =KVmcos(+)sint 由式由式(3-10)可知，转子感应电势可知，转子感应电势VB的幅值为的幅值为KVmcos(-)交变电交变电压信号，随转子的偏转角压信号，随转子的偏转角而变化，所以，只要检测出转子输出电压而变化，所以，只要检测出转子输出电压的幅值即可知道转子的偏转角的幅值即可知道转子的偏转角。在实际应用中，可不断修改。在实际应用中，可不断修改角，角，使其跟综转子偏转角使其跟综转子偏转角的变化，从而得到被测轴的角位移。的变化，从而得到被测轴的角位移。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学三、三、旋转变压器的应用旋转变压器的应用 测量旋转变压器的感应电压测量旋转变压器的感应电压VB的幅值或相位的变化，就可知转子偏转角的幅值或相位的变化，就可知转子偏转角的变的变化。如果将其安装在数控机床的丝杠上，当化。如果将其安装在数控机床的丝杠上，当角从角从0变化到变化到360时，表示丝杠旋时，表示丝杠旋转了一周，与丝杠相配合的螺母移动了一个导程，这样可间接地测量丝杠的直线位转了一周，与丝杠相配合的螺母移动了一个导程，这样可间接地测量丝杠的直线位移（导程）的大小。由于普通旋转变压器属于增量式测量装置，无法测量工作台的移（导程）的大小。由于普通旋转变压器属于增量式测量装置，无法测量工作台的整个行程，若要测量工作台的绝对位置，也就是机床丝杠转过的若干次小角度整个行程，若要测量工作台的绝对位置，也就是机床丝杠转过的若干次小角度之和，即之和，即 需加一台绝对位置计数器，累计工作台所走的导程数，折算成位移的总长度。需加一台绝对位置计数器，累计工作台所走的导程数，折算成位移的总长度。另外还需一只相敏检波器来辨别不同的转向。另外还需一只相敏检波器来辨别不同的转向。中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学5.6 感应同步器感应同步器 感应同步器是一种电磁式高精度位置检测装置。按其结构特点一般分为直线式感应同步器是一种电磁式高精度位置检测装置。按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量；旋转式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量；旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。感应同步器具有检测精度比较高、感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。感应同步器具有检测精度比较高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点。本节仅以直线式感应抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点。本节仅以直线式感应同步器为例，对其结构特点和工作原理进行叙述。同步器为例，对其结构特点和工作原理进行叙述。一、工作原理一、工作原理 感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图如图3-11所示。定尺与滑尺平行安装，且保所示。定尺与滑尺平行安装，且保持一定的间隙。定尺上有单向均匀连续感应持一定的间隙。定尺上有单向均匀连续感应绕组，其节距用绕组，其节距用2表示，每个节距相当于绕表示，每个节距相当于绕组空间分布的一个组空间分布的一个2周期。滑尺上有两组励周期。滑尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组磁绕组，一组为正弦励磁绕组A，另一组为余，另一组为余弦励磁绕组弦励磁绕组B，两绕组的节距与定尺绕组的节，两绕组的节距与定尺绕组的节距相等，并相互错开距相等，并相互错开1/4节距排列。当正弦励节距排列。当正弦励磁绕组磁绕组A的线圈和定尺对准时，余弦励磁绕组的线圈和定尺对准时，余弦励磁绕组的线圈与定尺相差的线圈与定尺相差/2的距离，即二者相差的距离，即二者相差/2的电角度。的电角度。图图3-11