旋轉(zhuǎn)變壓器基礎(chǔ)知識(shí)

1、.旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號(hào)元件。當(dāng)勵(lì)磁繞組以一定頻率的交流電壓勵(lì)磁時(shí)，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或保持某一比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。它主要用于坐標(biāo)變換、三角運(yùn)算和角度數(shù)據(jù)傳輸，也可以作為兩相移相器用在角度-數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置中。按輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角間的函數(shù)關(guān)系，我所目前主要生產(chǎn)以下三大類旋轉(zhuǎn)變壓器：1. 正-余弦旋轉(zhuǎn)變壓器（XZ）-其輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系成正弦或余弦函數(shù)關(guān)系。2. 線性旋轉(zhuǎn)變壓器（XX）、（XDX）-其輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成線性函數(shù)關(guān)系。線性旋轉(zhuǎn)變壓器按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分成隱極式和凸極式兩種，前者（XX）實(shí)際上也是正-余

2、弦旋轉(zhuǎn)變壓器，不同的是采用了特定的變比和接線方式。后者（XDX）稱單繞組線性旋轉(zhuǎn)變壓器。3. 比例式旋轉(zhuǎn)變壓器（XL）-其輸出電壓與轉(zhuǎn)角成比例關(guān)系。二、 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理由于旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了其定子和轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)一周)之間空氣間隙內(nèi)磁通分布符合正弦規(guī)律，因此，當(dāng)激磁電壓加到定子繞組時(shí)，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組便產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。圖43為兩極旋轉(zhuǎn)變壓器電氣工作原理圖。圖中Z為阻抗。設(shè)加在定子繞組的激磁電壓為 （41）圖 4-3 兩極旋轉(zhuǎn)變壓器根據(jù)電磁學(xué)原理，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)則為 （42）式中K旋轉(zhuǎn)變壓器的變化；轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角，當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子的磁軸垂直時(shí)，=0。如果轉(zhuǎn)子安裝在機(jī)床絲杠上，定子安裝在

3、機(jī)床底座上，則角代表的是絲杠轉(zhuǎn)過的角度，它間接反映了機(jī)床工作臺(tái)的位移。由式(42)可知，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)為以角速度隨時(shí)間t變化的交變電壓信號(hào)。其幅值隨轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)角位移以正弦函數(shù)變化。因此，只要測(cè)量出轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)的幅值，便可間接地得到轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置，即角的大小。以上是兩極繞組式旋轉(zhuǎn)變壓器的基本工作原理，在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到使用的方便性和檢測(cè)精度等因素，常采用四極繞組式旋轉(zhuǎn)變壓器。這種結(jié)構(gòu)形式的旋轉(zhuǎn)變壓器可分為鑒相式和鑒幅式兩種工作方式。1鑒相式工作方式鑒相式工作方式是一種根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢(shì)的相位來確定被測(cè)位移大小的檢測(cè)方式。如圖4-4所示，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組

4、均由兩個(gè)匝數(shù)相等互相垂直的繞組組成。圖中為定子主繞組，為定子輔助繞組。當(dāng)和中分別通以交變激磁電壓時(shí) （43） （44）根據(jù)線性疊加原理，可在轉(zhuǎn)子繞組中得到感應(yīng)電勢(shì)，其值為激磁電壓和在中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和之和，即 （45） 圖 4-4 旋轉(zhuǎn)變壓器電氣工作原理由式(44)和(45)可見，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)與定子繞組中的激磁電壓同頻率，但相位不同，其差值為。而角正是被測(cè)位移，故通過比較感應(yīng)電勢(shì)與定子激磁電壓信號(hào)的相位，便可求出。在圖44中，轉(zhuǎn)子繞組接一高阻抗，它不作為旋轉(zhuǎn)變壓器的測(cè)量輸出，主要起平衡磁場(chǎng)的作用，目的是為了提高測(cè)量精度。2鑒幅式工作方式鑒幅式工作方式是通過對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中

5、感應(yīng)電勢(shì)幅值的檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)位移檢測(cè)的。其工作原理如下：參看圖4-4，設(shè)定子主繞組和輔助繞組分別輸入交變激磁電壓 （46） （47）式中和分別為激磁電壓和的幅值。角可以改變，稱其為旋轉(zhuǎn)變壓器的電氣角。根據(jù)線性疊加原理，得出轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)如下： （48） 由式(4-8)可以看出，感應(yīng)電勢(shì)是幅值為的交變電壓信號(hào)，我們只要逐漸改變值，使的幅值等于零，這時(shí)，因 （49）故可得 ： = （410）值就是被測(cè)角位移的大小。由于是我們通過對(duì)它的逐漸改變，實(shí)現(xiàn)使幅值等于零的，其值自然是應(yīng)該知道的。三、 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)變壓器的鑒相式工作方式中，感應(yīng)信號(hào)和激磁信號(hào)Vk之間的相位差角，可通過專用的鑒相器線

6、路檢測(cè)出來并表示成相應(yīng)的電壓信號(hào)，設(shè)為U()，通過測(cè)量該電壓信號(hào)，便可間接地求得值。但由于是關(guān)于的周期性函數(shù)，U()是通過比較和Vk之值獲得的，因而它也是關(guān)于的周期性函數(shù)，即U()=U(n2+) (n=1,2,3,) （49）故在實(shí)際應(yīng)用中，不但要測(cè)出U()的大小，而且還要測(cè)出U()的周期性變化次數(shù)n，或者將被測(cè)角位移角限制在之內(nèi)。在旋轉(zhuǎn)變壓器的鑒幅式工作方式中，的幅值設(shè)為m，由式(4-8)可知 （410）它也是關(guān)于的周期性函數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，同樣需要將角限制在之內(nèi)。在這種情況下，若規(guī)定和限制角只能在-,內(nèi)取值，利用式(4-10)，便可唯一地確定出之值。否則，如=32()，這時(shí)，=32和=-2

7、都可使m，從而使角不能唯一地確定，造成檢測(cè)結(jié)果錯(cuò)誤。由上述知，無論是旋轉(zhuǎn)變壓器的鑒相式工作方式，還是鑒幅式工作方式，都需要將被測(cè)角位移角限定在之內(nèi)，只要在之內(nèi)，就能夠被正確地檢測(cè)出來。事實(shí)上，對(duì)于被測(cè)角位移大于或小于-的情況，如用旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)機(jī)床絲杠轉(zhuǎn)角的情況，盡管總的機(jī)床絲杠轉(zhuǎn)角可能很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出限定的范圍，但卻是機(jī)床絲杠轉(zhuǎn)過的若干次小角度i之和，即 （411）而i很小，在數(shù)控機(jī)床上一般不超過3，符合-i的要求，旋轉(zhuǎn)變壓器及其信號(hào)處理線路可以及時(shí)地將它們一一檢測(cè)出來，并將結(jié)果輸出。因此，這種檢測(cè)方式屬于動(dòng)態(tài)跟隨檢測(cè)和增量式檢測(cè)。.基于旋轉(zhuǎn)變壓器的永磁同步電機(jī)高精度位置檢測(cè)系統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)

8、控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)，只有檢測(cè)出轉(zhuǎn)子實(shí)際空間位置（絕對(duì)位置）后,控制系統(tǒng)才能決定變頻器的通電方式、控制模式及輸出電流的頻率和相位,以保證永磁同步電動(dòng)機(jī)的正常工作。因此在采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方式的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)子位置的精確可靠檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)矢量控制技術(shù)的關(guān)鍵。在常用的光柵編碼器、霍爾傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器等轉(zhuǎn)子位置傳感器中,旋轉(zhuǎn)變壓器具有耐高溫、耐濕度、抗沖擊性好、抗干擾能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，從而可以精確可靠的產(chǎn)生轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置信息,因此適用于永磁同步電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng),滿足其應(yīng)用系統(tǒng)高性能、高可靠性的要求。本文提及的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)使用日本多摩川公司的正余弦轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)

9、子的位置,采用新型的旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ad2s80a將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。分析了ad2s80a的工作原理,設(shè)計(jì)了位置信號(hào)檢測(cè)電路，并給出了與數(shù)字信號(hào)處理器tms320lf2407a的spi通訊接口方法及程序示例。旋轉(zhuǎn)變壓器的基本原理旋轉(zhuǎn)變壓器（簡(jiǎn)稱旋變）是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號(hào)元件。當(dāng)勵(lì)磁繞組以一定頻率的交流電壓勵(lì)磁時(shí)，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正、余弦函數(shù)關(guān)系，這種旋轉(zhuǎn)變壓器又稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，用于測(cè)量位置信息的旋轉(zhuǎn)變主要是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。本系統(tǒng)中所采用的是日本多摩川公司的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。這種旋變由轉(zhuǎn)子和定子繞組構(gòu)成，并且兩者相

10、互獨(dú)立，一次和二次極線圈都繞在定子上，轉(zhuǎn)子由兩組相差90線圈組成，采用無刷設(shè)計(jì)。圖1是其電氣示意圖。圖1旋轉(zhuǎn)變壓器電氣示意圖旋變的輸入輸出電壓之間的具體函數(shù)關(guān)系如下所示:設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度為，初級(jí)線圈電壓（即勵(lì)磁電壓）為:er1-r2esin2ft式中f勵(lì)磁頻率; e信號(hào)幅度。那么輸出電壓：es1-s3kesin2ftcos es2-s4kesin2ftsin式中k傳輸比;轉(zhuǎn)子偏離原點(diǎn)的角度。令t,即轉(zhuǎn)子做勻速運(yùn)動(dòng)，那么其輸出信號(hào)的函數(shù)曲線可表示為圖2所示。圖2旋轉(zhuǎn)變壓器輸入輸出波形圖2中，輸出的電壓包絡(luò)信號(hào)為為sint和cost，數(shù)字轉(zhuǎn)換器就是通過檢測(cè)這兩組輸出信號(hào)獲取旋變位置信息的。位置檢測(cè)轉(zhuǎn)

11、換電路設(shè)計(jì)1-2ad2s80a芯片簡(jiǎn)介ad2s80a是ad公司的rdc芯片ad2s80系列的一種，具有精度可調(diào)、可靠性高、狀態(tài)和控制信號(hào)數(shù)字化、易與微控制器dsp相連等優(yōu)點(diǎn)，可用于自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器的數(shù)字轉(zhuǎn)換。其封裝形式有40管腳的dip和44管腳的lcc方形兩種。ad2s80a的分辨率有10、12、14、16bit幾種可選,可由引腳sc1和sc2的邏輯狀態(tài)來決定。通過選擇不同的外接電阻和電容,可得到不同的帶寬和跟蹤速率。ad2s80a轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)由旋轉(zhuǎn)變壓器的原理可知,要使旋轉(zhuǎn)變壓器正常工作,在其轉(zhuǎn)子端必須施加一個(gè)正弦激勵(lì)。本系統(tǒng)中正弦激磁信號(hào)由intersil公司的icl8

12、038芯片產(chǎn)生，根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際情況,激磁信號(hào)選取為10khz的正弦波（即ad2s80a的參考頻率），ad2s80a的分辨率選為16bit,最大跟蹤速度為16.25r/s,帶寬為600hz。由這些性能指標(biāo),根據(jù)公式可以選出外圍電路元件。關(guān)于計(jì)算公式,這里不再敘述。圖3ad2s80a外圍電路連接框圖圖3示出旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字變換器（rdc）的內(nèi)部原理框圖和外圍電路。根據(jù)referencei/p引腳引入的正弦信號(hào)sin和余弦信號(hào)cos以及sin引腳輸入的調(diào)制信號(hào),實(shí)現(xiàn)絕對(duì)角度測(cè)量。由圖3可知,ad2s80a作為一個(gè)跟蹤轉(zhuǎn)換器運(yùn)行,數(shù)碼輸出能以選取的最大跟蹤速率自動(dòng)跟蹤軸角輸。因?yàn)樗?/p>

13、用一種比率式跟蹤方法,輸出的數(shù)字角度只與輸入的sin和cos信號(hào)比值有關(guān),而與他們的絕對(duì)值無關(guān),故ad2s80a對(duì)輸入信號(hào)的幅值和頻率變化不敏感,也不必使用精確、穩(wěn)定的振蕩器來產(chǎn)生參考信號(hào)。轉(zhuǎn)換環(huán)路中相敏檢測(cè)器確保了對(duì)參考信號(hào)中的正交分量有很高的抑制能力。因具有高的噪聲抑制比,可以減少從旋轉(zhuǎn)變壓器到轉(zhuǎn)換器rdc遠(yuǎn)距離長(zhǎng)線帶來的誤差。16條數(shù)據(jù)線輸出口有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存功能,通過對(duì)byteselect引腳的控制,可向8bit或16bit數(shù)據(jù)總線傳輸。位置檢測(cè)模塊與dsp的spi通訊在永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)中，為了簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，提高位置信息讀取速度，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)采用spi串行通訊模式傳輸?shù)絛sp

14、中，而ads2s80a輸出的數(shù)據(jù)為16位的并行數(shù)據(jù)，為了實(shí)現(xiàn)與dsp的spi通訊，需要把a(bǔ)ds2s80a輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)。并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)串行數(shù)據(jù)并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)通過74hc165芯片實(shí)現(xiàn)。此款芯片同時(shí)只能轉(zhuǎn)換8位數(shù)據(jù)，而ad2s80a輸出的數(shù)據(jù)為16位，從而需要將兩片74hc165進(jìn)行級(jí)聯(lián)以實(shí)現(xiàn)16位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)輸出。74hc165的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖如圖4所示。圖47hc165數(shù)據(jù)輸出時(shí)序圖由圖4可以看出，當(dāng)clkinh為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)不能輸出，當(dāng)clkinh變?yōu)榈碗娖胶螅谙乱粋€(gè)脈沖的上升沿，數(shù)據(jù)才移位輸出。并且，當(dāng)sh/ld為低平時(shí)，并口輸出的數(shù)據(jù)被采集進(jìn)來，當(dāng)其變?yōu)?/p>

15、高電平后，數(shù)據(jù)被鎖存。從而可以用一個(gè)反相器將clkinh的輸入信號(hào)反相后再接入sh/ld，這樣當(dāng)clkinh為高電平時(shí)，并口輸出的數(shù)據(jù)被采集到片內(nèi)，當(dāng)clkinh為低電平后，在下一個(gè)脈沖上升沿，數(shù)據(jù)開始移位輸出，而clkinh可以作為spi通訊的片選信號(hào)。spi通訊的實(shí)現(xiàn)dsp與位置信號(hào)檢測(cè)模塊進(jìn)行spi通訊時(shí)，采用從模式，通訊時(shí)鐘由位置檢測(cè)模塊提供3，本系統(tǒng)中時(shí)鐘頻率為1mhz。圖5給出了dsp與位置檢測(cè)模塊spi通訊連接示意圖。圖5位置檢測(cè)模塊與dsp的連接示意圖由于dsp的spi通訊模式為從模式，dsp接收數(shù)據(jù)時(shí)需要先被選通，本系統(tǒng)中通過一個(gè)i/o口，給spitie一個(gè)低電平選通dsp，

16、同時(shí)，由于clkinh也變?yōu)榈碗娖剑?4hc165開始串行移位輸出采集的并行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸完畢，再給spite一個(gè)高電平，停止接收數(shù)據(jù)，同時(shí)74hc165開始采集ad2s80a輸出的并行數(shù)據(jù)。這樣就實(shí)現(xiàn)了dsp與位置檢測(cè)模塊的spi通訊。需要注意的一個(gè)問題是，在進(jìn)行spi通信時(shí)，數(shù)據(jù)采集的時(shí)序可能不同步，即:dsp接受的數(shù)據(jù)與實(shí)際值相比，向右或左平移一位。為了防止數(shù)據(jù)丟失，可以進(jìn)行如下處理:在選通dsp的片選信號(hào)之前，可以先檢測(cè)74hc165的脈沖信號(hào)，在檢測(cè)到此脈沖的下降沿后，延時(shí)大約一個(gè)脈沖周期后，再選通dsp，在這樣的一個(gè)脈沖之后的下一個(gè)上升沿，數(shù)據(jù)開始往dsp的spi口傳送，這樣dsp

17、接收的數(shù)據(jù)就不會(huì)發(fā)生移位現(xiàn)象。下面給出一個(gè)dsp與位置檢測(cè)模塊spi通訊的參考程序段:設(shè)置spildp#0e0h;設(shè)置iopc3作為;spiteor#0808hsaclpcdatdirldp#0e0hsplk#000fh,spiccrsplk#00000010b,spictlsplk#008fh,spiccrspi通信spi_wait:ldp#0e1h;檢測(cè)脈沖下降沿laccpfdatdirand#00000bbcndspi_wait，neqrpt#40;延時(shí)一個(gè)脈沖周期nop;根據(jù)不同的脈沖;選擇不同的值laccpcdatdir;選通dspand#1111111111110111bsaclpcdatdirldp#0e0hspi_rdy:bitspists,bit6bcndspi_rdy,ntcldp#pcdatdir7laccpcdatdiror#01000bsaclpcda