技術領域

本發明涉及一種圓柱式感應同步器，應用于旋轉軸機構的自動測量系統和自動控制系統，作為高精度的角位置檢測元件，屬于自動化技術領域。

背景技術

感應同步器是一種高精度的微控制電機，現有的感應同步器分為直線式和圓盤式兩種結構形式。其中，直線式感應同步器用于測量直線位移，圓盤式感應同步器用于測量轉角位移。

圓盤式感應同步器的結構如圖1所示，轉子圓盤基板1采用約10mm厚的環形金屬板，轉子圓盤基板上設置四或八個轉子安裝固定孔2和轉子通軸孔3，在轉子圓盤基板圓環形平面敷設約0.5mm厚環氧樹脂材料的轉子繞組絕緣層4，粘壓一層約0.06mm厚的銅箔并采用機刻或蝕刻工藝制成環形平面轉子繞組5，轉子繞組圖形如圖2所示，為單相連續繞組。轉子繞組平面上粘壓一層厚約0.02mm的屏蔽層鋁箔6，屏蔽層與轉子繞組絕緣層與轉子圓盤短路。轉子安裝固定孔2附近安裝耦合變壓器轉子環形繞組7。定子圓盤基板8采用約10mm厚的環形金屬板，定子圓盤基板上設置了四或八個定子安裝固定孔9和定子通軸孔10，在定子圓盤基板圓環形平面敷設約0.5mm厚環氧樹脂材料的定子繞組絕緣層11，粘壓一層約0.06mm厚的銅箔并采用機刻或蝕刻工藝制成環形平面定子繞組12，定子繞組圖形如圖3所示，為正、余弦兩相繞組，兩相繞組分段間隔排列，定子通軸孔10附近安裝耦合變壓器定子環形繞組13。

為了便于安裝調試和使用，環形轉子圓盤的外徑一般小于環形定子圓盤的外徑，轉子通軸內徑一般小于定子通軸內徑。圓盤式感應同步器按照定子環形圓盤外徑D_p的尺寸，一般有2～15英時各種規格。轉子和定子安裝間隙0.1mm～0.3mm。轉子連續繞組和定子同相同段繞組的每兩個相鄰的繞組線圈構成一對級，這兩個線圈電磁方向相反，每對級電角度2π為一個周期。繞組極對數一般設置180、360、720三種規格，即每個電角度周期分別對應機械角度2°、1°、0.5°，繞組極對數也有選擇二進制數的特殊應用。靠近環形圓盤的內圓周一端繞組的極距最小，靠近外圓周一端最大。圓盤式感應同步器的精度等級與繞組的圖形面積有關，如果環形圓盤基板的外徑越大并具有足夠大的環寬度，繞組的圖形面積就越大，分度刻線的分辨率和角位置精度就越高，各種規格的綜合精度一般為±0.3″～±5″。

通過耦合變壓器在轉子連續繞組上加交流勵磁電壓，就會在定子、轉子間的氣隙中產生交變磁場，在定子兩相繞組中產生感應電動勢。正弦繞組中的感應電動勢有效值，正比于轉子繞組與定子繞組之間電角度的正弦值；余弦繞組中的感應電動勢有效值，正比于轉子繞組與定子繞組之間電角度的余弦值。通過后級的處理電路，可以對轉角位置進行細分和精密測量。

在定子兩相繞組上分別加正弦交流勵磁電壓和余弦交流勵磁電壓，正弦交流勵磁電壓有效值正比于轉子繞組與定子繞組之間電角度的正弦值，余弦交流勵磁電壓有效值正比于轉子繞組與定子繞組之間電角度的余弦值，就會在轉子連續繞組中產生感應電動勢，其有效值正比于角位置誤差的正弦值。通過后級的處理電路，可以對轉角位置進行細分和精密測量。

在定子兩相繞組上分別加正弦交流勵磁電壓和余弦交流勵磁電壓，有效值相等，就會在轉子連續繞組中產生感應電動勢，該交變信號相對于正弦交流勵磁電壓的相位差等于轉子繞組與定子繞組之間電角度的差。通過后級的處理電路，可以對轉角位置進行細分和精密測量。

多對極的圓盤式感應同步器只有增量測量的功能，每一對極的電角度零點都可以用作整個圓周的角度測量零點。絕對零位圓盤式感應同步器是在多對極繞組的基礎上增加單對極繞組，實現絕對零位測量功能。在多對極的定、轉子環形平面繞組的內側再刻制單對極的定、轉子環形平面螺旋繞組，轉子平面上刻制單對極單相連續螺旋繞組，定子平面上刻制單對極正、余弦兩相螺旋繞組。單對極繞組用作測角粗讀數繞組，每個電角度周期對應機械角度360°。單對極平面螺旋繞組的圈數很少，磁通量很小，信噪比很差，因此對使用條件要求很高。在實際應用中，也有采用圓盤式感應同步器與旋轉變壓器同軸安裝的方式實現絕對零位的功能，但是安裝結構十分復雜，長期穩定性難以保證。

圓盤式感應同步器在使用中存在以下五個問題：

第一，定轉子的平面刻線繞組在環形平面上展開，繞組匝鏈的磁通量從圓周到通軸孔逐漸減少，磁通轉角分辨率逐漸降低。要保證測試精度和信噪比，就需要足夠大的定轉子圓盤外徑和環形徑向尺寸。