旋转变压器和感应同步器的应用与原理

1．旋转变压器

1）旋转变压器的结构

旋转变压器是一种角位移测量装置，它的结构类似于小型交流电动机，也称为同步分解器。

旋转变压器由定子和转子组成，定子绕组相当于变压器的原边，转子绕组相当于变压器副边。旋转变压器有无刷结构和有刷结构两种，有刷结构旋转变压器转子绕组接至滑环，由电刷引出输出电压，如图7-33所示；无刷结构旋转变压器没有滑环和电刷，如图7-34所示。数控机床主要使用无刷旋转变压器，无刷旋转变压器具有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。

图7-33　有刷式旋转变压器

1—接线柱；2—转子绕组；3—定子绕组；
4—转子；5—换向器；6—电刷

图7-34　旋转变压器无刷结构示意图

在结构上旋转变压器与两相绕组式异步电动机相似，由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通常为400 Hz、500 Hz、1 000 Hz、3 000 Hz、5 000 Hz，旋转变压器结构简单，对工作环境要求不高，抗干扰能力强，输出信号幅度大；缺点是其测量精度低于感应同步器的测量精度。

2）旋转变压器的工作原理

旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压；转子绕组作为变压器的二次侧。当给励磁绕组加上一定频率的交流励磁电压时，通过定子与转子之间的电磁耦合，转子绕组就会产生感应电压，感应电压的大小与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。旋转变压器分为单极和多极形式。

如图7-35所示，单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，假设加到定子绕组的励磁电压为u1，则转子通过电磁耦合，产生感应电压。当转子转到使它的磁轴和定子绕组磁轴垂直时，转子绕组感应电压为零；当转子转过90°时，两磁轴平行，此时转子绕组中感应电压最大；当转子绕组的磁轴自垂直转过一定角度θ时，转子绕组中产生的感应电压为

式中，k——变压比（即绕组匝数比）；

Um——励磁信号的幅值；

ω——励磁信号角频率；

θ——旋转变压器转角。

图7-35　旋转变压器工作原理图

3）旋转变压器的应用

旋转变压器作为位置检测装置，有两种典型工作方式，即鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出的幅值来检测位移量。

（1）鉴相式。

给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差90°的交流励磁电压，即

这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压。根据线性叠加原理，转子中的感应电压应为这两个电压的代数和：

假如，转子逆向移动，则可得

由式可见，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，由于旋转变压器的转子和被测轴连接在一起，这样，只要检测出转子输出电压的相位角，即可得出转子的转角。(www.xing528.com)

（2）鉴幅式。

给旋转变压器的正、余弦绕组分别加上频率、相位相同但幅值不同的励磁电压，即

在旋转转子绕组中的总感应电压为

在实际应用中，不断修改励磁电压幅值的电气角θ电，使之跟随变化，通过测量感应电压幅值即可求得机械角位移θ。

2．感应同步器

1）感应同步器的结构

感应同步器是利用电磁原理将线位移和角位移转换成电信号的一种装置。根据用途，可将感应同步器分为旋转式和直线式两种。其中，旋转式感应同步器用来测量角度位移，由定子和转子组成。定子的绕组为两相正交绕组，相位相差90°；转子的绕组为一段连续式绕组。直线式感应同步器用来测量直线位移，由定尺和滑尺组成。定尺为了接长的方便，绕组采用一段连续式绕组，而滑尺的绕组采用两段式正交绕组。

2）感应同步器工作原理

感应同步器的输出电压随被测直线位移或角位移而改变。现以直线式感应同步器为例来介绍感应同步器的工作原理，如图7-36所示。

图7-36　感应同步器结构图

利用电磁耦合原理，将位移或转角编程电信号。滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。滑尺的两端绕组相对于定尺绕组的空间错开1/4节距，工作时，滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由于电磁感应，在定尺上产生感应电压，故当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频率）。

3）感应同步器应用

感应同步器作为位置测量装置安装在数控机床上，有两种工作方式，即鉴相式和鉴幅式。

（1）鉴相式。

在滑尺上通幅值、频率相同、相位差为90°的交流电压，即

则在定尺上产生感应电动势，根据线性叠加原理，得出

设感应同步器的节距为2τ，测量滑尺的直线位移量x和相位角θ之间的关系为

只要检测出感应同步器滑尺输出电压的相位角θ，则可以测得定尺相对于滑尺移动距离x，即可测出实际的直线位移。

（2）鉴幅式。

在滑尺上通相位、频率相同而幅值不同的交流电压，根据定尺上感应电压的幅值变化来测定滑尺和定尺的相对位移量。在滑尺的正余弦绕组上，所加激磁电压的幅值大小应分别与要求的工作台移动x（即与位移对应的相位角θ）成正余弦关系。

在定尺上产生的总感应电压为

由上式可知，定尺上产生的感应电压的幅值随指令给定的位移x1（θ1）与工作台实际位移量x（θ）的差值呈正余弦规律变化。