感应同步器学习.pptx
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1、直线感应同步器结构直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成,其结构如图5-14所示 定尺和滑尺上的电路绕组都是用印刷电路工艺制成的矩形绕组,定尺绕组为单相连续绕组,节距为W2,一般取W2=2mm。滑尺上有两组分开的绕组,两个绕组间的距离L1应满足关系:L1=(n/2+1/4)W2,其中n为正整数。因为两绕组相差90相位角,故分别称为正弦绕组和余弦绕组。两相绕组节距相同,均为W1,通常取W1=W2=W。感应同步器第1页/共48页直线感应同步器结构图5-15是直线感应同步器绕组结构示意图。图中上部为定尺绕组,下部为W型滑尺绕组。为了减小由于定尺和滑尺工作面不平行或气隙不均匀带来的误差,各正弦和余弦绕组
2、交替排列。感应同步器第2页/共48页具有较高的精度与分辨力。测量长度范围不受限制。抗干扰能力强。使用寿命长,维护简单。工艺性好,成本较低,便于复制和成批生产。输出信号较弱,需要高放大倍数的前置放大器。(4)(4)感应同步器的特点 感应同步器第3页/共48页感应同步器感应同步器 结构与工作原理结构与工作原理 感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置,属模拟式测量,二者工作原理相同,其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。感应同步器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。旋转式感应同步器由转子和定子组成,用于角位移测量。以直线式感应同步器为例,介
3、绍其结构和工作原理。第4页/共48页 直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器,其结构如图5-16所示,定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成,钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔,并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺,安装在机床床身上,短尺为滑尺,安装于移动部件上,两者平行放置,保持0.250.05mm间隙。直线感应同步器结构 U2定尺滑尺余弦绕组正弦绕组USUc第5页/共48页 感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距,滑尺和定尺的节距均为,这是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长250mm,滑尺长100mm,节距为2mm。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组,滑
4、尺有两组绕组,一组为正弦绕组,另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时,余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。U2定尺滑尺余弦绕组正弦绕组USUc2第6页/共48页 当滑尺任意一绕组加交流激磁电压时,由于电磁感应作用,在定尺绕组中必然产生感应电压,该感应电压取决于滑尺和定尺的相对位置。当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时,定尺感应电压与定、滑尺的相对位置关系如图所示。定 尺 滑 A 尺 Bt241 位 Ct221 置 Dt243 E t2 E A V2 M N 正弦绕组 余弦绕组 鑮 B D C O P 第7页/共48页定 尺 滑 A 尺 Bt241位 Ct221置 Dt243 E t2 如果滑尺处
5、于A位置,即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合,定尺绕组线圈中穿入的磁通最多,则定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动,穿入定尺的磁通逐渐减少,感应电压逐渐减小。当滑尺移到图中B点位置,与定尺绕组刚好错开1/4节距时,感应电压为零。再移动至1/2节距处,即图中C点位置时,定尺线圈中穿出的磁通最多,感应电压最大,但极性相反。再移至3/4节距,即图中D点位置时,感应电压又变为零,当移动一个节距位置如图中E点,又恢复到初始状态,与A点相同。显然,在定尺移动一个节距的过程中,感应电压近似于余弦函数变化了一个周期,如图5-17中ABCDE。第8页/共48页 若设定尺绕组节距为2,它对应的感应电压以
6、余弦函数变化了,当滑尺移动距离为时,则对应感应电压以余弦函数变化相位角。由比例关系可得设表示滑尺上一相绕组的激磁电压则定尺绕组感应电压为 式中 K耦合系数;Vm激磁电压的幅值;激磁电压的角频率;与位移对应的角度。Vmcos 为感应电压的幅值第9页/共48页 感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。在一个周期内,感应电压的某一幅值对应两个位移点,如图5-4中M、N两点。为确定唯一位移,在滑尺上与正弦绕组错开1/4节距处,配置了余弦绕组。同样,若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压,也能得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线,它们之间为正弦函数关系(图5-4中OP)。若滑尺上的正、余弦
7、绕组同时励磁,就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确定的位移。E A V2 M N 正弦绕组 余弦绕组 B D C O P 第10页/共48页 1.鉴相型系统 供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同,相位相差900的交流励磁电压根据叠加原理,定尺上的总感应电压为 通过鉴别定尺感应输出电压的相位,即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。例如定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为3.60,当节距的情况下,表明滑尺移动了0.02mm。(5-7)有两种工作方式,鉴相式和鉴幅式。应用应用第11页/共48页放大滤波基准信号发生器脉冲调相器鉴相器放大器激磁供电线路伺服电机速度控制单元滑尺定尺机床Vs
8、Vc-x+x图5-18 感应同步器鉴相测量系统框图 基准信号发生器输出一系列一定频率的基准脉冲信号(载波信号),为伺服系统提供一个相位比较基准。第12页/共48页 脉冲调相器的作用是将来自数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化的信号。图5-19为其原理组成框图,在脉冲调相器中,由基准信号发生器产生的基准脉冲信号分成两路,一路直接输入分频器1,它为1/N分频的二进制计数器,称为基准分频通道。为适应感应同步器滑尺的两励磁绕组供电的要求,该通道输出两路幅值相等、频率相同、相位相差900的脉冲信号,经激磁供电线路变成正、余弦信号给滑尺正弦、余弦绕组励磁。另一路先经过脉冲加减器,再进入分频器2,该分频器也
9、为1/N分频二进制计数器,称为调相分频通道。调相分频通道的任务是将指令脉冲信号调制成与基准脉冲有一定关系的输出脉冲信号,其相位差大小和极性与指令脉冲有关。上述两个分频器均为1/N分频,即当输入N个计数脉冲后产生一个溢出脉冲。分配器1(1/N)(基准分频通道)分配器2(1/N)(调相分频通道)脉冲加减器基准信号发生器激磁信号指令信号+x-x5-19 脉冲调相器原理框图第13页/共48页 为说明指令移相情况,设两个分频器均由四个二进制计数触发器C0C3组成,每输入16个脉冲产生一个溢出脉冲信号。对应无指令脉冲和有指令脉冲两种情况,可用图5-20和图5-21两个波形图来描述C0C1C2C3F图5-7
10、 无指令脉冲时序波形图第14页/共48页 图5-21所示,有一正向指令脉冲通过脉冲加减器,使得输入到调相分频通道的脉冲个数增加一个,结果该分频器产生溢出脉冲的时刻提前产生。因此,在指令脉冲作用下,调相分频通道输出脉冲与基准脉冲有一个相位差1,且110,0为基准信号发生器的基准相位;1为指令信号相位;1的大小取决于指令脉冲数,其随时间变化的快慢取决于指令脉冲频率,而其相对于0的超前与滞后,则取决于指令脉冲进给方向。图5-21 有指令脉冲时序波形FC1C2C0C3F1分频器2输出分频器1输出1第15页/共48页 当用同一脉冲源的输出时钟脉冲去触发容量相同的两个分频器1和2时(见图5-7),结果在两
11、个分频器最后一级的输出是频率大大降低的两个同频率信号。假设时钟脉冲频率为F,当分频器的容量为N,即N个时钟脉冲使分频器的输出变化一个周期,则分频器输出端的脉冲频率f为:f=F/N(N为最大计数容量,n为触发器个数)。如果在时钟脉冲触发两个分频器的过程中,通过脉冲加减器加入一个指令脉冲,分频器2的最后一级输出提前翻转,从而相对于分频器1产生了一个正的相移1(见图5-21)。脉冲调相器每接受一个脉冲便产生一个指令相位增量 1,1应符合下式或第16页/共48页如果感应同步器的 节距为2mm,脉冲当量选定为=0.001mm,一个脉冲对应的相移角1为 数控装置每发一个进给脉冲,经脉冲调相器变为超前基准信
12、号一个0.180相移角的信号,即1=1-0=0.180。此时因工作台未动,反馈信号相对于基准信号的相位差2=2-0=0(2为定尺绕组上作为反馈信号所取的感应电压U2的相位)。鉴相器将12=0.180的相位差检测出来,经放大后控制伺服电动机带动工作台移动。随着工作台的移动,2逐渐增大,相位差逐渐减少,直至0。第17页/共48页 鉴相式伺服系统利用相位比较原理进行工作。当数控装置要求工作台沿一个方向位移时,产生一列进给脉冲,经脉冲调相器的调相分频通道转化为相位变化信号1,它作为指令信号送入鉴相器;测量装置及信号处理电路的作用是将工作台的位移量检测出来,并表达成与基准信号之间的相位差2,也被送入鉴相
13、器。这两路信号都用它们与基准信号之间的相位差表示,且同频率、同周期。因此,它们两者之间的相位差为12。鉴相器的作用就是鉴别出这两个信号的相位差,并以与此相位差信号成正比的电压信号输出。如果相位差不为零,说明工作台实际移动的距离不等于指令信号要求工作台移动的距离,鉴相器检测出的相位差,经放大后,送入速度控制单元,驱动电机带动工作台向减少误差的方向移动。若相位差为零,则表示感应同步器的实际位置与给定指令位置相同,鉴相器输出电压为零,工作台停止移动。第18页/共48页2.鉴幅式系统 供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、相位相同但幅值不同。式中 给定的电气角。则在定尺绕组产生的总感应电压为(5
14、-8)式中 与位移对应的角度。第19页/共48页 鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值,并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成闭环伺服系统。由式5-8可知,若电气角 已知,只要测出U2的幅值,便能求出与位移对应的角度 。实际测量时,不断调整 ,让幅值为零。设初始位置时,=,U20,当滑尺相对定尺移动后,随着不断增加,U2 0。若逐渐改变值,直至=,U20,此时的变化量就代表了对应的位移量,就可测得机械位移。式5-8第20页/共48页图5-22 鉴幅式伺服系统原理框图比较器数模转换放大环节速度单元工作台测量及信号处理电路伺服电机进给指令 鉴幅式系统的工作原理:进入比
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