感应同步器是一种电磁式位置检测元件,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;旋转式感应同步器由转子和定子组成。前者用于直线位移测量,后者用于角位移测量。它们的工作原理都与旋转变压器相似。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,广泛应用于数控机床及各类机床数控改造。下面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。

1.感应同步器的结构和工作原理

标准直线式感应同步器结构、尺寸如图3-28所示。其中长尺叫定尺,短尺叫滑尺,定尺和滑尺的基板由与机床热膨胀系数相近的钢板做成,钢板上用绝缘胶粘剂贴有钢箔,并利用照相腐蚀的办法做成印刷绕组。

图3-28　感应同步器的结构示意图

定尺和滑尺上的绕组均为矩形绕组,其中定尺绕组是连续的,滑尺上分布着两个励磁绕组,分别为正弦绕组(sin绕组)和余弦绕组(cos绕组)。它们在长度方向相差1/4节距。绕组在长度方向的分布周期称为节距T ,又称极距,一般为2mm,用2τ 表示。滑尺和定尺相对平行安装。当对滑尺上某一绕组施加给定频率的交流电压时,由于电磁感应作用,在定尺绕组中产生感应电势。定尺绕组中感应的总电势是滑尺上正弦绕组和余弦绕组所产生的感应电势的矢量和。定、滑尺处于不同相对位置时定尺绕组中感应电势的变化情况如图3-29所示。

图3-29　感应同步器的工作原理

在图3-29(a)的位置,滑尺绕组(设为cos绕组)与定尺绕组正好互相叠合。滑尺绕组通入励磁电流后所产生的磁通正好与定尺绕组全部交链。定尺绕组所构成的两个矩形面积1、2、3、4和3、4、5、6内的磁通达到最大值。相应地,在定尺绕组中感应出的电势也达到最大值,移到图3-29(b)的位置时,滑尺绕组移动了1/4节距。这时定尺绕组所构成的两个矩形1、2、3、4和3、4、5、6内的磁通总量为零。相应地定尺绕组中感应出的电势也是零。可用类似的方法,分析出图3-29(c)和图3-30(d)处的位置情况。图中Ia是滑尺绕组励磁电流。由此可见,定尺绕组中感应出的电势和定、滑尺绕组之间的相对位置有关。如果把图3-29(a)的位置定为位移x 的0点,一个节距是2τ,它对应于感应电势的变化周期2π,则定尺绕组中感应电势Voc与位移x 的关系可表示为

式中,Vm为定尺绕组中感应电势的幅值;θ 为与位移x 对应的角度,定、滑尺相对移动一个节距2τ,θ 从0变到2π。

因为正弦绕组相对于余弦绕组有(m ＋1/4)T 的位移,m ＝1,2,3,…,所以余弦绕组相对于零点移动了距离x ,则正弦绕组相对于零点的位移就是x ＋(m ＋1/4)T 。可得正弦绕组在定尺绕组中的感应电势为

2.感应同步器的工作方式

(1)鉴相法

令施加于正弦绕组中的励磁电压Vc＝Vmsinωt,施加于cos绕组中的励磁电压Vs＝Vmcosωt,Vm、ω 分别是励磁电压的幅值和频率,它在定尺绕组中产生的感应电势分别为(www.daowen.com)

式中,K 为电磁耦合系数,则定子绕组感应的电势为

只要测出余弦绕组电压Vc和定子绕组感应电势Vo之间的相位差θ,就可得到位移x 。

(2)鉴幅法

这种方法在感应同步器滑尺的cos、sin两个绕组上分别施加频率相同、幅值不同的正弦电压。此两个正弦电压的幅值又分别与电气角φ 成正、余弦关系。即

这两个电压分别在定子绕组中产生的感应电动势为

把励磁电压接到sin绕组和cos绕组时,若使它们在定尺绕组中感应的电势是相减,则

式中,Vom＝KVmsin(θ－φ)是定尺绕组感应电动势的幅值,显然Vom与电气角φ 和位移角θ有关,和分析旋转变压鉴幅工作方式一样,若电气角φ 已知,那么只要测量出Vom的幅值,便可间接地求出被测位移θ 值的大小。特别当感应电动势Vom为零时,即

可得

这种工作方式可用于检测位移,也可用于定位控制。当测量两点间位移量时,可使两运动部件在起点处于平衡状态(φ ＝θ),而后滑尺随着运动部件移动直至终点。随着滑尺的移动,θ 不断变化,平衡被破坏,φ ≠θ,Vo≠0。通过系统利用Vo控制φ 角跟踪θ 的改变。当滑尺移至终点,且φ 角赶上θ 角时,系统又恢复平衡。φ 角的改变量也就是θ 角的大小,从而可测出位移x 。当感应同步器用于定位控制系统时,可用φ 角作为位置指令,让θ 角跟踪φ 角。当θ 角跟不上φ 角时输出电势Vo≠0;经过伺服系统使运动部件运动,θ 角继续跟踪φ ,直到θ 角等于预先给定的指令角φ 时,系统停止运动,实现定位控制的目的。