感应同步器优化及应用探讨

1.感应同步器的结构和特点

感应同步器是一种电磁感应式的高精度位置检测装置。实际上，它是多极旋转变压器的展开形式。感应同步器分旋转感应同步器和直线感应同步器两种。旋转感应同步器用于角度测量，直线感应同步器用于长度测量。两者的工作原理相同。

直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。定尺与滑尺之间有均匀的气隙，在定尺表面制有连续平面绕组，绕组节距为P。滑尺表面制有两段分段绕组：正弦绕组和余弦绕组。它们相对于定尺绕组在空间错开1/4节距（P/4），定子和滑尺的结构示意图如图7-36所示。

图7-36　定尺和滑尺的结构示意

定尺和滑尺的基板采用与机床床身材料热膨胀系数相近的钢板制成，经精密的照相腐蚀工艺制成印刷绕组，再在尺子的表面上涂一层保护层。滑尺的表面有时还贴上一层带绝缘的铝箔，以防静电感应。

感应同步器的特点如下。

（1）精度高。感应同步器直接对机床工作台的位移进行测量，其测量精度只受本身精度限制。另外，定尺的节距误差有平均补偿作用，定尺本身的精度能做得很高，其精度可以达到±0.001 mm，重复精度可达0.002 mm。

（2）工作可靠，抗干扰能力强。在感应同步器绕组的每个周期内，测量信号与绝对位置有一一对应的单值关系，不受干扰的影响。

（3）维护简单，寿命长。定尺和滑尺之间无接触磨损，在机床上安装简单。使用时需要加防护罩，防止切屑进入定尺和滑尺之间划伤导片，以及灰尘、油雾的影响。

（4）测量距离长。可以根据测量长度需要，将多块定尺拼接成所需要的长度，即可测量长距离位移，机床移动基本上不受限制。

（5）成本低，易于生产。

（6）与旋转变压器相比，感应同步器的输出信号比较微弱，需要一个放大倍数很高的前置放大器。

2.感应同步器的工作原理

感应同步器的工作原理与旋转变压器基本一致。使用时，在滑尺的绕组上通以一定频率的交流电压，由于电磁感应，在定尺的绕组中产生了感应电压，其幅值与相位决定于定尺和滑尺的相对位置。图7-37所示为滑尺在不同的位置时定尺上的感应电压。当定尺与滑尺重合时，如图7-37中的a点的感应电压最大。当滑尺相对于定尺平行移动后，其感应电压逐渐变小。在错开P/4的b点，感应电压为零。依次类推，在P/2的c点，感应电压幅值与a点相同，极性相反；在3P/4的d点又变为零。当移动到一个节距的e点时，电压幅值与a点相同。这样，滑尺在移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦波形。滑尺每移动一个节距，感应电压就变化一个周期。

按照供给滑尺两个正交绕组励磁信号的不同，感应同步器的测量方式分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式。

1）鉴相式工作方式(www.xing528.com)

图7-37　滑尺在不同位置时定尺上的感应电压

在鉴相式工作方式下，给滑尺的sin绕组和cos绕组分别通以幅值相等、频率相同、相位相差90°的交流电压，其表达式为

励磁信号将在空间产生一个以ω为频率移动的行波。磁场切割定尺导片，并产生感应电压，该电势随着定尺与滑尺相对位置的不同而产生超前或滞后的相位差θ。根据线性叠加原理，在定尺上的工作绕组中的感应电压为

式中　ω——励磁角频率。

n——电磁耦合系数。

θ——滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角，

可见，在一个节距内，θ与x是一一对应的，通过测量定尺感应电压的相位角θ，可以测量定尺对滑尺的位移x。数控机床的闭环伺服系统采用鉴相系统时，指令信号的相位角θ1由数控装置发出，由θ和θ1的差值控制数控机床的伺服驱动机构。若定尺和滑尺之间产生了相对运动，则定尺上的感应电压的相位发生了变化，其值为θ。当θ≠θ1时，使机床伺服系统带动机床工作台移动。当滑尺与定尺的相对位置达到指令要求值，即θ=θ1时，工作台停止移动。

2）鉴幅式工作方式

给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、相位相同而幅值不同的交流电压，则有表达式为

若滑尺相对于定尺移动一个距离x，其对应的相移为θ机，根据线性叠加原理，在定尺上工作绕组中的感应电压为

由以上可知，若电气角θ电已知，只要测出U0的幅值nUmsin(θ机-θ电)，便可以间接地求出θ机。若θ电=θ机，则U0=0，说明电气角θ电的大小就是被测角位移θ机的大小。采用鉴幅式工作方式时，不断调整θ电，让感应电压的幅值为0，用测量θ电的方法代替对θ机的测量，θ电可通过具体电子线路测得。

定尺上的感应电压的幅值随指令给定的位移量x1(θ电)与工作台的实际位移x(θ机)的差值按正弦规律变化。鉴幅系统用于数控机床闭环伺服系统中，当工作台未达到指令要求值，即x≠x1时，定尺上的感应电压U0≠0。该电压经过检波放大后控制伺服执行机构带动机床工作台移动。当工作台移动到x=x1（θ电=θ机）时，定尺上的感应电压U0=0，工作台停止运动。