感应同步器

控制元件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1～20kHz。•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。控制元件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控制元件•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控制元件直线式感应同步器的工作原理•极距τ是相邻金属片中心线间的距离。节距L=2τ，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τ，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。控制元件直线式感应同步器的原理示意图控制元件•τ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相同的最近两点的距离，且有L=2τ。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1.5τ。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控制元件•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控制元件•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2τ。•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控制元件•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=2τ，所以有xExLEEmmssin2sinxExLEEmmccos2cos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控制元件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tUtUumsinsin2则正弦绕组s和余弦绕组c中感应电势的瞬时值和为secetxLEemscos2sin2txLEemccos2cos2控制元件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Np21两相邻导片间的夹角称为极距τ：N2)(rad我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θsE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tUusin2tLEtEemmscos2sin2cossin2tLEtEemmccos2cos2coscos2控制元件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tUusin2eemskUEEsinsineemckUEEcoscostkUtEtEeeemsscossin2cossin2cos2tkUtEtEeeemcccoscos2coscos2cos2有效值瞬时值控制元件关于感应电势的几个结论•对于直线式感应同步器)(2radxxLe对于旋转式感应同步器)(22radLNpe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感应的电势的有效值分别（下标2表示副端）eskUEsin2eckUEcos2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。90控制元件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θe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。控制元件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tUumssintUumccos控制元件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tkUeemscossin2tkUeemcsincos2应用迭加原理可知单相绕组总感应电势为2etkUtkUeeeememcssincoscossin222)sin(2emtkUe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θe。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θe，从而可以求出对应的线位移或角位移。控制元件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。tkUeemssinsintkUeemcsincostkUtkUeememscossin)90sin(sin'移相后得se90'setkUtkUeeeememcsssincoscossin')sin(2emtkUe控制元件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θe。•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tUumssincos1tUumcsinsin1激磁电压的幅值为某一角度θ1的余弦和正弦函数，其中θ1称为指令位移角，是已知的。单相绕组的总感应电势为tkUtkUeeeememcscoscossincossincos11222tkUeemcos)sin(12控制元件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θ1是已知的，所以就可确定θe。这种求θe的方法称为鉴幅型处理方法或鉴零工作状态。0)sin(1eke11e控制元件感应同步器的信号处理•单相激磁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tUumsintkUeemscossintkUeemccoscos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。tkUeeeemcscos)sin(1''2•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控制元件那么，若求出θe，就可求出线位移x或角位移θ。)sin(2emtkUe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控制元件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θe转换成一定频率的脉冲个数。tKUumAsin)sin(emBtKUuSTBD计数器NSTASW脉冲源tnN原理方框图u’Bu’A1控制元件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。)sin(2emtkUetkUemsin20e43ttt21ttt控制元件相位数字转换原理图控制元件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u’A，uB变成u’B，SW是双稳态触发器，上升沿触发。u‘A接置0端，u‘B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，脉冲才能通过与门送到计数器，而SW输出为1的时间受相位角θe的控制，见图的波形•t＝0：u‘A将SW置0，与门D关闭；•t＝t1：u‘B将SW置1，与门D打开，脉冲进入计数器；•t＝t2：u‘A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t1～t2，t3～t4之间输出1，使与门打开。计数器只在Δt＝t2－t1，Δt＝t4－t3……时间内计数，所计的脉冲个数代表了uA、uB的相位差θe。控制元件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θe的绝对值小于2π，则21sin)sin(tKUtKUmem21ttettte)(12故设时钟脉冲周期为tn，Δt时间内进入计数器的脉冲个数为N，则nNttneNt所以求出θe后就可求出对应的线位移或角位移。而且当ω一定时，一个脉冲所代表的相位移取决于时钟脉冲周期。控制元件三大部分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。鉴相型数显表控制元件鉴幅型数显表•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。1cossinsmuUt1sinsincmuUt11两相激磁式直线感应同步器，激磁电压输出电势的幅值控制元件•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。