感应同步器

10.1　感应同步器

感应同步器是应用电磁感应原理把位移量转换成数字量的传感器。它具有两个平面形的印刷绕组，相当于变压器的初级和次级绕组。通过两个绕组的互感变化来检测其相互的位移。感应同步器可分为两大类，测量直线位移为直线式感应同步器和测量角位移为旋转式感应同步器。前者由定尺和滑尺组成，后者由转子和定子组成。感应同步器是一种多极感应元件，由于多极结构对误差起补偿作用，所以用感应同步器来测量位移具有精度高、工作可靠、抗干扰能力强、寿命长、接长便利等优点。

10.1.1　感应同步器的结构与类型

1.结构组成

图10-1所示为直线式感应同步器的绕组结构。它由两个绕组构成。定尺是长度为250mm均匀分布的连续绕组，节距W₂＝2（a₂＋b₂）。滑尺上布有断续绕组，分正弦（l-l′）和余弦（z-z′）两部分，即两绕组相差90°电角度。为此，两相绕组中心线距应为l₁＝（n/2＋1/4）W₂，其中n为正整数。两相绕组节距相同，均为W₁＝2（a₁＋b₁）。

通常，定尺的节距W₂为2mm。定尺绕组的导片宽度要考虑消除高次谐波，可按式a₂＝n·W₂/ν来选择，其中ν为谐波次数，n为正整数，显然a₂＜W₂/2。

滑尺的节距W₁通常与W₂相等，绕组的导片宽度同样可按式a₁＝n·W₁/ν来选取。

图10-2所示为定尺和滑尺的截面结构图。基板2通常由钢板制成。为了保证测量的精度，对它的表面几何形状，外形尺寸及热处理等都有一定的要求。基板上通过粘合剂4粘有一层铜箔。铜箔厚度在0.1mm以下，通过蚀刻得到所需的绕组3的图形。在铜箔上面是一层耐腐蚀的绝缘涂层1。根据需要还可在滑尺表面再贴一层带绝缘层的铝箔5，以防止静电感应。

图10-1　直线式感应同步器的绕组结构

（a）定尺绕组；（b）W形滑尺绕组；（c）U形滑尺绕组

图10-2　感应同步器定尺和滑尺的截面结构

（a）定尺；（b）滑尺

2.感应同步器的类型

因被测量而异，可分为直线（位移）式和旋转式感应同步器两类。直线式感应同步器最常见的有标准型（图10-3）、窄型和带型。标准型感应同步器是直线式中精度最高的一种，应用最广。为了减少端部电势的影响，安装时必须保证滑尺绕组全部覆盖在定尺绕组上，但不能覆盖定尺的两条引出线，以免影响测量精度。窄型感应同步器用于设备安装位置受限制的场合，除了宽度较标准型窄以外，其余结构尺寸与标准型相同。由于宽度较窄，其磁感应强度比标准型低，故精度稍差。除上述两种类型外，带型直线式感应同步器的定尺最长可达3m以上，由于不需拼接，对安装面的精度要求不高，故安装便利。但由于定尺较长，刚性较差，其总的测量精度比标准型直线感应同步器低。

图10-3　标准型直线式感应同步器的外形尺寸

以上三种型式的感应同步器都是在一个周期（2mm）内进行电气细分的，对2mm以上的位置无法区别。为此必须用累计计数器建立一个相对坐标测量系统来进行测量。若发生断电，计数值将无法保留，在重新上电时数显表只能确定在2mm以内的绝对数值。所以，为了建立一个绝对坐标测量系统，可采用三速式直线感应同步器（图10-4）。这种感应同步器的定尺上有三组绕组，组成三个独立的传感通道。它们的周期分别为2mm，200mm和4000mm。细绕组可用来确定2mm以内的位置；中绕组用来确定2～200mm内的位置；粗绕组用来确定200～4000mm内的位置。这样就建立了一个绝对坐标测量系统。但这种测量系统的电路较复杂。

图10-4　三速式直线感应同步器定尺示意图

旋转式感应同步器（图10-5）的转子相当于直线式感应同步器的滑尺，定子相当于定尺。目前旋转式感应同步器按直径大致可分成302mm，178mm，76mm，50mm四种。极数（径向导体数）有360，720和1080数种。通常，在极数相同时，旋转式感应同步器的直径越大，精度越高。由于旋转式感应同步器的转子是绕转轴旋转的，所以必须特别注意其引出线。目前较多采用的方法，一是通过耦合变压器，将转子初级感应的电信号经空气间隙耦合到定子次级上输出；二是用导电环直接耦合输出。

图10-5　旋转式感应同步器外形图

10.1.2　感应同步器的工作原理

图10-6为感应同步器的工作原理示意图。当滑尺绕组用正弦电压激磁时，将产生同频率的交变磁通，它与定尺绕组耦合，在定尺绕组上感应出同频率的感应电势。感应电势的幅值除与激磁频率、耦合长度、激磁电流和两绕组的间隙等有关外，还与两绕组的相对位置有关。设正弦绕组上的电压为零，余弦绕组上加正弦激磁电压，并将滑尺绕组与定尺绕组简化如图10-7所示。

10-6　感应同步器工作原理示意图

图10-7　两绕组相对位置与感应电势的关系

S—正弦绕组；C—余弦绕组

当滑尺位于A点时，余弦绕组左右侧的两根导片中的电流在定尺绕组导片中产生的感应电势之和为零。

当滑尺向右移，余弦绕组左侧导片对定尺绕组导片的感应要比右侧导片所感应的大。定尺绕组中的感应电势之和就不为零。

当滑尺移到1/4节距位置（图10-7B点）时，感应电势达到最大值。

若滑尺继续右移，定尺绕组中的感应电势逐渐减少。到1/2节距时，感应电势变为零。再右移滑尺，定尺中的感应电势开始增大，但电流方向改变。当滑尺右移至3/4节距时，定尺中的感应电势达到负的最大值。在移动一个节距后，两绕组的耦合状态又周期地重复如图10-7A点所示状态（曲线1）。同理，由滑尺正弦绕组产生的感应电势如图10-7曲线2所示。

以上分析可见，定尺中的感应电势随滑尺的相对移动呈周期性变化；定尺的感应电势是感应同步器相对位置的正弦函数。若在滑尺的正弦与余弦绕组上分别加上正弦电压u_s＝U_ssinωt和u_c＝U_csinωt，则定尺上的感应电势e_s和e_c可用下式表达:

e_s＝KωU_scosωtcosθ 或 e_s＝-KωU_scosωtcosθ（10-1）e_c＝KωU_ccosωtsinθ或e_c＝-KωU_ccosωtsinθ　　　　　　　（10-2）

其中，K——耦合系数；

θ——与位移x等值的电角度，θ＝2πx/W₂。

对于不同的感应同步器，视滑尺绕组激磁，其输出信号的处理方式有鉴相法、鉴幅法和脉冲调宽法三种。

1.鉴相法

所谓鉴相法就是根据感应电势的相位来测量位移。采用鉴相法，需在感应同步器滑尺的正弦和余弦绕组上分别加频率和幅值相同，但相位差为π/2的正弦激磁电压，即u_s＝U_msinωt和u_c＝U_mcosωt。

根据式（10-2），当余弦绕组单独激磁时，感应电势为

e_c＝KωU_msinωtsinθ　　　　　　　　　（10-3）

同样，当正弦绕组单独激磁时，感应电势为

e_s＝KωU_mcosωtcosθ　　　　　　　　　（10-4）

正弦、余弦绕组同时激磁时，根据叠加原理，总感应电势为

上式是鉴相法的基本方程。由式可知，感应电势e和余弦绕组激磁电压u_c之相位差θ正比于定尺与滑尺的相对位移x。

2.鉴幅法

所谓鉴幅法就是根据感应电势的幅值来测量位移。若在感应同步器滑尺的正弦和余弦绕组上分别加频率和相位相同、但幅值不等的正弦激磁电压，即u_s＝U_msinφsinωt和u_c＝-U_mcosφsinωt。则在定尺绕组上产生的感应电势分别为

e_s＝KωU_msinφcosωtcosθ

e_c＝-KωU_mcosφcosωtsinθ

根据叠加原理，感应电势为

由上式可知，感应电势的幅值为KωU_msin（φ-θ），调整激磁电压φ值，使φ＝2πx/W₂，则定尺上输出的总感应电势为零。激磁电压的φ值反映了感应同步器定尺与滑尺的相对位置。式（10-6）是鉴幅法的基本方程。

3.脉冲调宽法

前面介绍的两种方法都是在滑尺上加正弦激磁电压，而脉冲调宽法则在滑尺的正弦和余弦绕组上分别加周期性方波电压，即

其波形如图10-8（a）所示。把u_s、u_c分别用傅里叶级数展开，可得

若把u_s加到滑尺正弦绕组上，则定尺感应电势e_s应为各次谐波所产生的感应电势之和，即

若把u_c加到滑尺余弦绕组上，同样可得到定尺感应电势为各次谐波产生的感应电势之和，即

图10-8　波形图

（a）激磁方波电压； （b）感应电势

e_s、e_c的波形均为一系列的尖脉冲，如图10-8（b）。

当正弦、余弦绕组同时分别以u_s、u_c激磁时，根据叠加原理，定尺中的总感应电势为e＝e_s＋e_c。从上面的e_s、e_c表达式中可知:感应电势除基波分量外，还含有丰富的高次谐波分量。若使用性能良好的滤波器滤去高次谐波，取出基波成分，这时可认为感应电势为

式（10-11）是脉冲调宽法的基本方程。它表明了滑尺、定尺间的相对位移（θ＝2πx/W₂）与激磁脉冲的宽度之半φ的关系。当用感应同步器来测量位移时，与鉴幅法相类似，可以调整激磁脉冲宽度φ值，用φ跟踪θ。当用感应同步器来定位时，则可用φ来表征定位距离，作为位置指令，使滑尺移动来改变θ，直到θ＝φ，即e＝0时停止移动，以达到定位的目的。

10.1.3　数字测量系统

1.鉴相法测量系统

图10-9为鉴相法测量系统的原理框图。它的作用是通过感应同步器将代表位移量的电相位变化转换成数字量。鉴相法测量系统通常由位移-相位转换，模-数转换和计数显示三部分组成。下面分析各部分的功能。

位移-相位转换的功能是通过感应同步器将位移量转换为电的相位移。它由图10-9中的绝对相位基准（n倍分频器）、90°移相器、功率放大器及放大滤波整形等电路组成。

图10-9　鉴相法测量系统的原理框图

时钟脉冲源经绝对相位基准分频后的频率为f，再经90°移相和功率放大，分别供给滑尺的正弦、余弦绕组两个幅度相等而相位差为90°的方波（或正弦波）。这时，定尺的感应电势e＝KωU_mcos（ωt-θ），经放大、滤波及整形后得到一个频率仍为f的方波（或正弦波），其相位θ与滑尺位移量x在一个节距内呈线性关系。θ直接送至模数转换电路。从下面的讨论中将看到θ就是相位跟踪系统的相位给定。如果时钟频率为2MHz，分频器n＝800，经分频后的频率为2.5kHz，定尺感应电势的频率也为2.5kHz。

模数转换的主要功能是将代表位移量θ（定尺输出电压的相位）的变化再转换为数字量。它由图10-9中的相对相位基准（脉冲移相器）、鉴相器、相差门槛及计数脉冲门等电路组成。

鉴相器是一个相位比较装置，其输入来自经放大、滤波、整形后的输出信号θ，以及相对相位基准输出信号θ′。它有两个输出:一个输出是脉宽，其宽度代表上述两个输入量相位差的绝对值，即Δθ＝θ-θ′。另一个输出是代表移动方向的逻辑信号，它处于“1”状态，表示θ′滞后于θ；它处于“0”状态，表示θ′超前于θ。

相对相位基准（脉冲移相器）实际上是一个数模转换器。它是把加、减脉冲数转换为电的相位变化。它由n倍分频器和加减脉冲电路组成，有三个输入和一个输出。输入是加、减脉冲，输出是方波，其相位为θ′。当无加、减脉冲信号时，公共时钟脉冲经相对相位基准n倍分频后，供给鉴相器频率为f、相位为θ′的方波，当有加脉冲信号时，其输出相位θ′向超前方向变化，每加一个脉冲，相位θ′变化360°/n，即对应于一个脉冲当量的位移量（如n＝800即为0.45°，相应位移为2.5μm）。当有减脉冲信号时，其输出相位θ′向滞后方向变化，每减一个脉冲，相位θ′也变化一个脉冲当量的位移量。

模数转换的关键是鉴相器。它的两个输出控制相对相位输出的加减脉冲电路，使其输出波形产生相位移，移相的方向是力图使鉴相器两个输入量之间的相位差为零。这就构成一个数字相位跟踪系统，系统中相位θ′总是跟踪相位给定值θ。静态时，θ与θ′之间的相位差近于零。每当定、滑尺之间相对移动一个脉冲当量时，相位θ发生变化。θ与θ′之间产生相位差，鉴相器与相差门槛有输出，使相对相位基准加（或减）一个脉冲；同时，将与之相等的脉冲数通过计数脉冲门输至计数显示部分，反映出位移量。

计数显示由图10-9中显示计数器，加、减计算逻辑，“＋”、“-”符号逻辑，显示过零逻辑，译码显示，置数开关及绝对零点显示等电路构成。

由以上分析可见鉴相法测量系统的工作原理是:当系统工作时，θ≈θ′，相位差小于一个脉冲当量。若将计数器置“0”，则所在位置为“相对零点”。假定以此为基准，滑尺向正方向移动，Δθ的相位发生变化，θ与θ′之间出现相位差，通过鉴相器检出相位差Δθ，并输出反映θ′滞后于θ的高电平。该两输出信号控制脉冲移相器，使θ′产生相移，θ′趋近于θ。当到达新的平衡点时，相位跟踪即停止，这时θ≈θ′。在这个相位跟踪过程中，插入到脉冲移相器的脉冲数也就是计数脉冲门的输出脉冲数，再将此脉冲数送计数器计数并显示，即得滑尺的位移量。另外，不足一个脉冲当量的剩余相位差，还可以通过模拟仪表显示。

2.鉴幅法测量系统

此系统的作用是通过感应同步器将代表位移量的电压幅值转换成数字量。

图10-10为鉴幅法测量系统的原理框图。通常正弦振荡器产生一个10kHz的正弦信号，经由多抽头的正、余弦变压器和模拟开关组成的数模转换器产生幅值按U_msinφ和U_mcosφ变化的激磁电压，再经匹配变压器分别加至感应同步器滑尺的正、余弦绕组。若开始时系统处于平衡状态，定尺绕组输出电压为零。当滑尺相对定尺移动时，将产生输出信号，此信号经放大和滤波后送入鉴幅器。当滑尺的移动超过一个脉冲当量的距离时，门电路被打开，时钟脉冲经门电路到可逆计数器进行计数；同时，另一路送到转换计数器控制数模转换器的模拟开关以接通多抽头正弦、余弦变压器的相应抽头，改变U_msinφ和U_mcosφ使定尺绕组的输出电压小于鉴幅器的门槛电压值，使门电路关闭，计数器电路停止工作。这时可逆计数器的输出即为滑尺移动的距离。

由以上讨论可见，鉴相法和鉴幅法测量系统都是一个闭环伺服系统，只是反馈量不同。在使用中，都受最大运动速度的限制，且后者的运动速度及精度都较前者低。

图10-10　鉴幅法测量系统原理图

10.1.4　感应同步器的接长使用

目前，标准型直线式感应同步器定尺的长度为250mm。在使用中，滑尺要全部覆盖在定尺上，当测量长度超过150mm时，需要用多块定尺接长使用。定尺接长后全行程的测量误差一般要大于单块定尺的最大误差，这是因为接缝处的误差与每块定尺的误差曲线的不一致性所致。但是，用适当的连接方法可以减小全行程测量误差，使它接近于单块定尺的最大误差。

图10-11　感应同步器定尺接长误差示意图

每一块定尺在出厂时都附有误差曲线。典型的误差曲线如图10-11（a）所示。为了得到最小全程误差，需要对每块定尺的误差曲线进行选配。图（b）、（c）、（d）表示不同选配方式所得的不同结果。在图（b）中，虽然衔接处的误差变化很小，但全程误差很大。图（c）中全程误差有所改善，但衔接处误差变化太大。图（d）给出了正确的连接方式，它既保证了衔接处的误差变化平滑，全程误差又比较小。

定尺接长后对性能的另一个影响是输出电势减弱。这是因为随着定尺长度的增加，电阻增大，有效信号减弱，干扰随之增加所致。它限制了感应同步器测量系统的最大测量范围。实用上，可用串、并联组合接线的方法来改善。

感应同步器可用于大量程的线位移和角位移的静态和动态测量。在数控机床、加工中心及某些专用测试仪器中常用它作为测量元件。与光栅传感器相比，它抗干扰能力强，对环境要求低，机械结构简单，接长方便。目前在测长时误差约为±1μm/250mm，测角时误差约为±0.5″。