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1、9.3 感应同步器,概述：高精度的转角和线位移测量元件工作原理：利用两个平面形印制绕组的互感随位置不同而变化的原理工作。激磁电压频率一般是120kHz。分类：直线式测量直线位移；旋转式测量转角。结构：固定部件和运行部件两部分，其上各有绕组。优点：有很高的精度和分辩率；抗干扰能力强；可以作长距离位移测量；结构简单、工作可靠、使用寿命长。缺点：输出信号弱，信号处理麻烦，配套用于信号处理的电子设备（一般称为数显表）比较复杂，价格高。,直线式感应同步器的结构,由定尺和滑尺两部分组成，滑尺比定尺短。,定尺上绕组连续,滑尺分为正弦和余弦两相绕组,绕组是由辐射状的导片组成。转子上的绕组是单相连续绕组，其径向
2、导片数也称为极数。定子绕组是分段绕组，分为正弦和余弦两大组，交替排列，各自串联形成两相绕组。直径越大，精度越高。,旋转式感应同步器的结构,定子,转子,直线式感应同步器的工作原理,极距是相邻金属片中心 线间的距离。节距L=2，也称检测周期。正弦绕组s 和余弦绕组c相距3L/4。定尺绕组通交流电激磁，产生一个多极的脉振磁场，磁极之间的距离是，磁场 分布周期是节距L。脉振磁场在滑尺绕组上产生感应电势，有效值随滑尺位移作周期性变化，周期为节距L。,直线式感应同步器的原理示意图,表示极距，它等于相邻金属导片中心线间的距离，它也就是两个相邻的磁极轴线（中心线）之间的距离。L表示节距，它是定尺上磁场情况完全
3、相同的最近两点的距离，且有L=2。节距L也称为检测周期。相邻的正弦绕组s和余弦绕组c之间相距3L/4即1.5。在定尺绕组中通入交流电激磁，在定尺平面附近将产生一个多极的脉振磁场，定子磁场是周期性分布的，其分布周期就是节距L。设磁通最大瞬间磁通方向如图中和所示。脉振磁场在滑尺绕组上产生感应电势，这电势属于变压器电势，它的频率应与激磁电压频率相同，它的大小（有效值）取决于定、滑尺的耦合程度，即取决于定、滑尺的相对位置。,直线式感应同步器的工作原理,分析感应电势有效值与滑尺的位移x的关系。在位置1，位移x=0,通过绕组c的磁通最大，感应电势也必然最大，设此时的电势有效值为Ec,Ec=+Em。这时通过
4、绕组s的磁通为零，所以绕组s的电势有效值.Es=0在位置2，x=L/4,绕组c中的磁通为零，所以Ec=0。这时通过绕组s的磁通最大，设Es=Em。在位置3，x=L/2,绕组c中的磁通最大，且与位置1中的相反，表明电势反相位且有效值最大，所以Ec=-Em。而绕组s中的磁通为零，所以Es=0。,直线式感应同步器的工作原理,在位置4，x=3L/4,绕组c中的磁通为零，所以Ec=0。而绕组s中的磁通达到最大，但与位置2中的磁通方向相反，Es=-Em。表明电势反相位且有效值最大。当位移x=L时，绕组c、s将处于和位置1即x=0时完全相同的磁场位置，故c、s中的感应电势也与位置1时相同。以上的分析表明输出
5、的电势的大小随滑尺位移x作周期性变化，周期为一个节距L或两个极距2。一般认为感应同步电势的大小随滑尺的位移量按正弦函数（或余弦函数）变化。,直线式感应同步器的工作原理,正弦绕组s和余弦绕组c中的感应电势有效值Es和Ec分别是位移x的正弦函数和余弦函数，正、余弦函数的幅值为Em。,因为L=2，所以有,直线式感应同步器的工作原理,感应同步器的电势有效值示意图,直线式感应同步器的工作原理,感应电势的瞬时值 设激磁电压为,则正弦绕组s和余弦绕组c中感应电势的瞬时值 和 为,旋转式感应同步器的工作原理,当转子单相绕组激磁时，形成的磁极个数与径向导片数N相等，而极对数p为,两相邻导片间的夹角称为极距：,我
6、们取正弦绕组输出电压有效值 为零时的转子位置作为电气零位，感应同步器转子从基准电气零位起始的角位移称为转子转角，记为,若激磁电压仍为,则正、余弦绕组s和c中感应电势的瞬时值分别为,关于感应电势的几个结论,当单相连续绕组加激磁电压 时，无论是直线式感应同步器，还是旋转式感应同步器，它们的正弦绕组s和余弦绕组c中的感应电势都是正余弦交变电势，频率与激磁电压相同，相位与激磁电压相差900，它们的有效值瞬时值可以统一表示为,有效值,瞬时值,关于感应电势的几个结论,对于直线式感应同步器,对于旋转式感应同步器,当正弦绕组s和余弦绕组c中分别换上有效值为U的正弦（或余弦）交流激磁电压时，它们在单相连续绕组中
7、感应的电势的有效值分别（下标2表示副端）,无论是单相绕组激磁，感应电势都属于同频率的正弦电势，感应电势与激磁电压的相位差是。一般取感应电势超前激磁电压。,感应同步器的信号处理,需要解决的几个问题：1）正余弦函数在一个周期的范围内，函数值和角度间并不是单值对应关系。对于感应同步器的输出电压和电角度e之间也同样如此。2）当电角度超出一个周期的范围，即线位移和角位移大于2个极距，这时必须记录、变化周期的个数才能确定电角度。3)输出电压的误差大，但要求的测量精度很高。为了解决这些问题，就需要对感应同步器输出绕组的信号进行适当处理。,感应同步器的信号处理,感应同步器有鉴相型和鉴幅型信号处理方式：又称为鉴
8、相工作状态和鉴幅工作状态。鉴相型处理方式 鉴相型处理方式又称鉴相工作状态，它是根据输出电势的相位来鉴别电角度。它又分为单相激磁和两相激磁两种方式，但输出信号是相同的。,两相激磁式：在感应同步器正弦绕组s、余弦绕组c上施加幅值和频率相同、相位差为900的交流激磁电压us和uc。即,感应同步器的信号处理,两个激磁绕组在单相绕组上感应的电势分别为,应用迭加原理可知单相绕组总感应电势 为,此时输出电势的幅值是一个不变的常值，而输出电势的相位改变量等于电角度e。因此通过输出的电势信号的相位改变量就可以知道电角度e，从而可以求出对应的线位移或角位移。,感应同步器的信号处理,单相激磁式 这时感应同步器的单相
9、绕组加激磁电压,将正弦绕组输出电势移相后再与余弦绕组的相加作为输出电势。,移相 后得,感应同步器的信号处理,鉴幅型处理方式-鉴幅工作状态，根据输出信号的幅值鉴别电角度e。单相激磁和两相激磁两种方式两相激磁式 两相激磁电压的幅值要按一定规律变化，具体加至正、余弦绕组的激磁电压为,激磁电压的幅值为某一角度1的余弦和正弦函数，其中1称为指令位移角，是已知的。单相绕组的总感应电势为,感应同步器的信号处理,当鉴别出输出电势的幅值为零或使其为零时就说明,因此有(k为零或整数)。如能确保k=0,则，因1是已知的，所以就可确定e。这种求e的方法称为鉴幅型处理方法或鉴零工作状态。,感应同步器的信号处理,单相激磁
10、式 在单相绕组中加激磁电压。在正弦绕组s和余弦绕组c中的感应电势分别为,然后将它们送入函数变压器或其它装置中进行变换，再送入加法器相加后作为输出信号。,感应同步器有几种信号处理方式？简要说明工作原理,练习题,那么，若求出e，就可求出线位移x或角位移。,感应同步器编码装置,鉴相型数字编码装置,感应同步器把位移转换成模拟信号，而编码装置的任务就是对模拟信号进行数字编码，编码装置也叫数显表。,原理：鉴相工作状态时感应同步器输出的电压信号的表达式为,鉴相型数字编码装置,编码的原理：将被测正弦信号e2与同频率的基准正弦信号的相位进行比较，将二者的相位差e转换成一定频率的脉冲个数。,STB,D,计数器N,
11、STA,SW,脉冲源,tn,N,原理方框图,uB,uA,1,鉴相型数字编码装置,一、鉴相型编码原理将被测信号 与基准信号 的 相位进行比较，求出相位差 并转换成脉冲个数。整形电路，双稳态触发器，上升沿触发。计数器只在，时间内计数。,相位数字转换原理图,鉴相型数字编码装置,图中STA、STB是整形电路，它把正弦波变成方波，uA是基准正弦信号，uB是被检测信号，如感应同步器输出信号e2。经整形后，uA变成uA，uB变成uB，SW是双稳态触发器，上升沿触发。uA接置0端，uB接置1端，D是与门，脉冲源发出的脉冲信号始终加在D的一个输入端。D的另一个输入端与SW的1端相联。SW输出为1时，脉冲才能通过
12、与门送到计数器，而SW输出为1的时间受相位角e的控制，见图的波形t0：uA将SW置0，与门D关闭；tt1：uB将SW置1，与门D打开，脉冲进入计数器；tt2：uA又将SW置0，与门D关闭，脉冲停止进入计数器。所以脉冲只在t1t2，t3t4之间输出1，使与门打开。计数器只在tt2t1，t t4t3时间内计数，所计的脉冲个数代表了uA、uB的相位差e。,鉴相型数字编码装置,由图知t1时刻的uB与t2时刻的uA相等，所以若e的绝对值小于2，则,故设时钟脉冲周期为tn，t时间内进入计数器的脉冲个数为N，则,所以,求出e后就可求出对应的线位移或角位移。而且当一定时，一个脉冲所代表的相位移取决于时钟脉冲周
13、期。,三大部分1.位移变成电信号 包括时钟 脉冲、绝对相位基准、激磁、感应同步器和滤波整形电路。2.求电信号相位并转成数字 包括时钟脉冲、相对相位基准和鉴相器。3.计数及显示 包括 计数脉冲门、显示计数器、加减计数逻辑、绝对零点、译码显示等。,鉴相型数显表,鉴幅型数显表,指令角 是已知的，代表感应同步器的激磁电压幅值。转换计数器使数模转换器 改变滑尺激磁电压的幅值 即改变。,两相激磁式直线感应同步器，激磁电压,输出电势的幅值,关健 使感应同步器激磁电压的幅值随着 按正、余弦关系变化。函数变压器 这种变压器的副端有很多抽头，再配上电子开关线路就可以实现电压的改变。脉冲调宽方法 用方波信号激磁。第一项基波与所要求的激磁电压 相似。用转换计数脉冲改变激磁 电压方波的宽度可以精确地调整激磁电压。优点：集成化。,
