详细分析博世力士乐集成测量系统IMS-A

直线位置测量系统确定机器中运动部件的位置，将此信息提供给电机的控制单元，反馈回路实现电驱动的精确位置控制。测量系统是一台机器的关键部件，其性能对整台机器的表现具有关键影响。博世力士乐中国开发的IMS-A绝对式集成测量系统，与导轨系统完全集成（图1）。


图1 绝对测量系统 IMS-A

系统得电后无需回零即可即时得到位置，另外该产品无需电池。编码器系统为感应式原理，重复精度 ±0.25µm，刻尺精度3µm/m，测量精度可与光栅尺媲美。图1(上) 为集成导轨的IMS-A测量系统。读数头牢固安装于滑块上并与之共同沿导轨运动。图1 (下) 的爆炸图中可以看到在导轨上滚道之间的侧面上集成有绝对与增量刻尺，并且通过激光焊接金属密封带来防止污染和损坏。

 感应传感器

图2 显示了增量感应传感器的结构示意图。类似于变压器非接触工作原理，励磁线圈由一台发电机提供一个高频交流电，解析电路来记录接收线圈中产生的感应电压。


图2 感应传感器概念基础结构
（1）增量刻度 （2）感应平面线圈带（3）励磁线圈（4）接收线圈

对于测量系统中的感应传感器，在接收线圈中的感应电压值可通过刻尺上的刻度条获得。刻度条在刻尺上以1000 µm间距均布（见图2）。调制深度取决于以恒定速度相对运动的刻度条在磁场回路中的位置，而后产生一个周期为1000 µm近似正弦的振幅曲线。通过两组相互错位1/4周期布置的接收线圈，传感器相对于刻尺的位置和运动方向都得以确定。如图2所示，将带有多个接收线圈的平面线圈传感器沿运动方向分布，可得到正弦和余弦信号。一方面，对线圈组中所有线圈的解析，提高了信号电平和信噪比。此外，传感器在测量方向上的分布方式将单个信号平均处理，进一步改善了信号的质量，从而抑制并几乎拉平了线圈范围内的高精度刻度条的局部不规则性。

为了制造尺寸符合要求的传感器，平面线圈的导体路径使用特殊的制造工艺来生产，使导体路径能够通过结构化形成，并且允许多层组成结构。而为了确保励磁线圈中具有相同的电流，保证线圈磁通密度的均匀和对称性，博世力士乐中国设计了曲折结构形式的电感式传感器的励磁绕组（如图3所示）。在传感器中的所有区域提供完全相同的激励电流，而不受线路电阻的波动影响。这就保证了所有接收器线圈中有非常均匀的磁场激励，意味着在线圈组内不会出现不对称性。


图三 示意图:
（1）第一层激发折曲，（2）第二层激发折曲，（3）叠加接收线圈位于阴影区的激励结构，（4）电流的方向和横截面的磁通量

当电感式传感器以单位刻度的恒定速度移动，则如上所述，感应信号的幅值将被调制为正弦曲线，周期为1000 µm。调制的质量非常高，一部分归功于前述传感器的特殊设计。由博世力士乐中国开发的自适应信号校正过程做支持，传感器刻度的相对位置可以通过内插测量信号来确定，偏差小于±0.75 µm。该量度被称为插值精度。

因为电感式传感器采用高频交变磁场，所以位置确定能抵抗来自静态磁场和电磁干扰的影响，例如直线电机可能造成的干扰。同时，材料的剩磁对电感测量原理没有影响，这就是为什么它不像传统的磁测量原理一样，位置信号的的测量完全没有滞后。