第四节 旋转变压器-“1+X证书”制度下的数控加工理论与实践

　 　 为了更进一步提高分辨率，有些绝对直线光栅尺不但包含绝对码线还包含增量码线。 一 条刻线用于产生在全长上不重复的连续二进制代码，另一条刻线用于产生常用的正弦波信号 （与增量式直线光栅尺相同），通过信号细分提供位置值，同时也能生成供选用的增量信号。 图 ３⁃１６ 为海德汉公司的带增量码线的绝对编码光栅尺的示意图，绝对码线采用了先进的单码 道伪随机循环序列码的编码原理。 图 ３⁃１６　 带增量码线的绝对编码光栅尺的示意图 绝对直线光栅尺的信号输出接口与绝对编码器的信号接口相似，主要是以串行通信的方 式输出数字信号。 另外，各光栅尺制造商都提供不同通信协议类型的绝对式直线光栅尺，用 于兼容市场上常见的控制系统，例如 Ｓｉｅｍｅｎｓ、ＦＡＮＵＣ、ＦＡＧＯＲ、三菱、松下等。 四、圆光栅 圆光栅又称角度编码器，是指精度高于±５″和线数高于 １０ ０００ 的编码器，一般用于精度要 求在数角秒以内的高精度角度测量，如回转工作台、摆头、高精度分度头、测量机等。 而旋转 编码器通常是指精度等级低于±１０″的编码器，用于旋转运动和角速度测量，也常用于电机、数 控机床进给坐标等。 圆光栅有各种规格的直径和刻线数供选择，结构较简洁，玻璃圆光栅主要在转速小于 １０ ０００ ｒ ／ ｍｉｎ 的场合应用，转速高于 ２０ ０００ ｒ ／ ｍｉｎ 时，使用金属光栅鼓、大直径光栅尺的基体 为钢带。 最为常用的为在柱面上直接刻线的金属圆光栅。 第四节　 旋转变压器 旋转变压器是一种电磁式传感器，又称同步分解器。 它是一种测量角度用的小型交流电 动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。 其中定子绕组作为变 压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用 ４００ Ｈｚ、３ ０００ Ｈｚ 及 ５ ０００ Ｈｚ 等。 转子绕组作为 变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。 一、旋转变压器的结构 旋转变压器分为有刷和无刷两种。 有刷旋转变压器在定子与转子上的两相绕组轴线分 别相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环引出，并通过电刷送到外面来。 无刷旋转变压器 无电刷与滑环，由分解器和变压器组成，如图 ３⁃１７ 所示。 ２７ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 图 ３⁃１７　 旋转变压器结构示意图 　 　 无刷旋转变压器中变压器的作用就是不通过电刷与滑环把信号传递出来。 分解器结构 与有刷旋转变压器基本相同。 变压器的一次绕组（定子绕组）与分解器转子上的绕组相连，并 绕在与分解器转子固定在一起的线轴上，与转子轴一起转动；变器的二次绕组绕在与线轴同 心的定子的线轴上。 分解器定子的线圈外接激磁电压常用的激磁频率为 ４００ Ｈｚ、５００ Ｈｚ、 １ ０００ Ｈｚ、２ ０００ Ｈｚ 及５ ０００ Ｈｚ，如果激磁频率较高则旋转变压器的尺寸可以显著减小，特别 是转子的转动惯量可以做得很小，适用于加减速比较大或高精度的齿轮、齿条组合使用的场 合；分解器转子线圈输出信号接到变压器的一次绕组，从变压器的二次绕组（转子绕组）引出 最后的输出信号。 旋转变压器又分为单极对和多极对。 通常应用的旋转变压器为单极对旋 转变压器和双极对旋转变压器，单极对旋转变压器的定子和转子上都各有一对磁极。 双极对 旋转变压器的定子和转子上都各有两对相互垂直的磁极，其检测精度较高，在数控机床中应 用普遍。 旋转变压器工作时，通过将其转子轴与电机轴或丝杠连接在一起来实现电机轴或丝 杠转角的测量。 对于单极对旋转变压器，其转子通常不直接与电机轴相连，而是经过精密齿 轮升速后再与电机轴相连。 多极对旋转变压器不用升速，可与电动机直接相连，因此，精度更 也可以把一个极对数少的和一个极对数多的两种旋转变压器做在一个机壳内，构成“粗测”和 “精测”电气变速双通道检测装置，用于高精度检测系统和同步系统。 二、旋转变压器的工作原理 旋转变压器根据互感原理工作，定子与转子之间气隙磁通分布呈正 ／余弦规律。 当定子 加上一定频率的激磁电压时，通过电磁耦合、转子绕组产生感应电势，其输出电压的大小取决 于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。 为便于理解旋转变压器的工作原理，先讨论单极对旋转变压器的工作情况。 如图 ３⁃１８ 所 示，由变压器原理，设一次绕组匝数为 Ｎ１，二次绕组匝数为 Ｎ２，ｎ ＝Ｎ １ ／ Ｎ２为变压比，当一次侧 输入交变电压： Ｕ１ ＝ Ｕｍｓｉｎ ωｔ 　 　 二次侧产生感应： Ｕ２ ＝ ｎ Ｕ１ ＝ ｎ Ｕｍｓｉｎ ωｔ ｓｉｎ θ 式中　 Ｕ１———定子的激磁电压； ３７ 第三章　 数控机床检测装置 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 Ｕ２———转子绕组感应电势； Ｕｍ———激磁电压幅值； θ———转子偏转角。 图 ３⁃１８　 单极式旋转变压器工作原理 旋转变压器是一台小型交流电机，二次绕组跟着转子一起旋转，由式 Ｕ２ ＝ ｎＵ１ ＝ ｎＵｍｓｉｎ ωｔ ｓｉｎ θ 可知：输出电势随着转子的角向位置呈正弦规律变化，当转子绕组磁轴与定子 绕组磁轴垂直时 θ＝ ０，不产生感应电动势，Ｕ２ ＝ ０；当两磁轴平行时，θ＝ ９０°，感应电动势Ｕ２为最 大，为： Ｕ２ ＝ ｎ Ｕｍｓｉｎ ωｔ 　 　 因此，只要测量出转子绕组中的感应电势的幅值，便可间接地得到转子相对于定子的位 置，即 θ 角的大小。 以上是两极绕组式旋转变压器的基本工作原理，在实际应用中，考虑到使 用的方便性和检测精度等因素，常采用四极绕组式旋转变压器（即正弦余弦旋转变压器）。 这 种结构形式的旋转变压器当定子绕组通入不同的激磁电压，可得到两种不同的作方式：鉴相 工作方式和鉴幅工作方式。 ①鉴相工作方式。 给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位差 π ／ ２ 的交流激 磁电压，则有： Ｕ１ｓ ＝ Ｕｍｓｉｎ ωｔ Ｕ１ｃ ＝ Ｕｍ（ｓｉｎ ωｔ ＋ π ／ ２） ＝ Ｕｍｃｏｓ ωｔ 　 　 当转子正转时，这两个激磁电压在转子绕组中产生的感应电压，经叠加，转子的应电压 Ｕ２为： Ｕ２ ＝ ｋＵｍｓｉｎ ωｔ ｓｉｎ θ ＋ ｋ Ｕｍｃｏｓ ωｔ ｃｏｓ θ ＝ ｋ Ｕｍｃｏｓ（ωｔ － θ） 式中　 Ｕｍ———激磁电压幅值； ｋ———电磁耦合系数，ｋ＜１ ； θ———相位角，即转子偏转角。 当转子反转时，同样可得到： Ｕ２ ＝ ｋＵｍｃｏｓ（ωｔ ＋ θ） 　 　 可见，转子输出电压的相位角和转子的偏转角 θ 之间有严格的对应关系，只要检测出转 子输出电压的相位角，就可以求得转子的偏转角，也就可得到被测轴的角位移。 实际应用时， 把定子余弦绕组的激磁电压的相位作为基准相位，与转子绕组的输出电压的相位作比较，来 ４７ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 确定转子偏转角 θ 的大小。 在定子的正、余弦绕组上分别通以频率相同，但幅值分别为Ｕｓｍ和Ｕｃｍ的交流激磁电压， 则有： Ｕ１ｓ ＝ Ｕｓｍｓｉｎ ωｔ Ｕ１ｃ ＝ Ｕｃｍｓｉｎ ωｔ 　 　 当给定电气角为 α 时，交流激磁电压的幅值分别为： Ｕｓｍ ＝ Ｕｍｓｉｎ αＵｃｍ ＝ Ｕｍｃｏｓ α 　 　 当转子正转时，Ｕ１ｓ、Ｕ１ｃ经叠加，转子的感应电压Ｕ２为： Ｕ２ ＝ ｋＵｍｓｉｎ α ｓｉｎ ωｔ ｓｉｎ θ ＋ ｋＵｍｃｏｓ α ｓｉｎ ωｔ ｃｏｓ θ ＝ ｋ Ｕｍｃｏｓ（α － θ）ｓｉｎ ωｔ 　 　 当转子反转时，同理有： Ｕ２ ＝ ｋＵｍｃｏｓ（α ＋ θ）ｓｉｎ ωｔ 　 　 ②鉴幅工作方式。 可见，转子感应电压的幅值随转子的偏转角 θ 而变化，测量出幅值 即可求得偏转角 θ，被测轴的角位移也就可求得了。 实际应用时，不断地修改定子激磁电压 的幅值（即不断地修改 α 角），让它跟踪 θ 的变化，实时地让转子的感应电压Ｕ２总为 ０，由公 式Ｕ２ ＝ ｋＵｍｓｉｎ α ｓｉｎ ωｔ ｓｉｎ θ＋ｋＵｍｃｏｓ α ｓｉｎ ωｔ ｃｏｓ θ＝ ｋＵｍ ｃｏｓ （ α － θ） ｓｉｎ ωｔ 和 公 式 Ｕ２ ＝ ｋＵｍｃｏｓ（α＋θ）ｓｉｎ ωｔ 可知，此时 α＝ θ。 通过定子激磁电压的幅值计算出电气角 α，从而得出 θ 的大小。 无论是鉴相工作方式还是鉴幅工作方式，在转子绕组中得到的感应电压都是关于 转子的偏转角 θ 的正弦和余弦函数，所以称为正弦余弦旋转变压器。 根据以上分析可知，测 量旋转变压器二次绕组的感应电动势Ｕ２的幅值或相位的变化，可知转子偏转角 θ 的变化。 如 果将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当 θ 角从 ０°变化到 ３６０°时，表示丝杠上的螺母走 了一个导程，这样就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）。 当测全长时，由于普通旋转变压 器属于增量式测量装置，如果将其转子直接与丝杠相连，转子转动一周，仅相当于工作台 １ 个 丝杠导程的直线位移，不能反映全行程，因此，要检测工作台的绝对位置，需要加一台绝对位 置计数器，累计所走的导程数，折算成位移总长度。 第五节　 感应同步器 感应同步器是利用两个平面印刷电路绕组的电磁耦合原理，检测运动件的直线位移或角 位移的传感器。 它属于模拟式测量，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可分为直线式和旋转式。 直线式感应同步器用于直线位移测量，旋 转式感应同步器用于角位移测量。 两者结构略有不同，但其工作原理相同。 下面仅介绍直线 式感应同步器的结构。 感应同步器的抗干扰性强，对环境要求低，机械结构简单，大量程时接长方便，加之成本 较低，所以在数控机床检测系统中得到了广泛的应用。 一、直线式感应同步器 直线式感应同步器的结构如图 ３⁃１９ 所示，其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，钢板上用绝缘黏结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做成图 ３⁃１９ 所示的矩形绕 ５７ 第三章　 数控机床检测装置 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍