旋轉(zhuǎn)變壓器原理及應用

1、旋轉(zhuǎn)變壓器原理及應用上海贏雙電機有限公司曲家騏1 .概述1.1. 旋轉(zhuǎn)變壓器的發(fā)展旋轉(zhuǎn)變壓器用于運動伺服控制系統(tǒng)中，作為角度位置的傳感和測量用。早期的旋轉(zhuǎn)變壓器用于計算解答裝置中，作為模擬計算機中的主要組成部分之一。其輸出，是隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角作某種函數(shù)變化的電氣信號，通常是正弦、余弦、線性等。這些函數(shù)是最常見的，也是容易實現(xiàn)的。在對繞組做專門設計時，也可產(chǎn)生某些特殊函數(shù)的電氣輸出。但這樣的函數(shù)只用于特殊的場合，不是通用的。60年代起，旋轉(zhuǎn)變壓器逐漸用于伺服系統(tǒng)，作為角度信號的產(chǎn)生和檢測元件。三線的三相的自整角機，早于四線的兩相旋轉(zhuǎn)變壓器應用于系統(tǒng)中。所以作為角度信號傳輸?shù)男D(zhuǎn)變壓器，有時被稱作四線自

2、整角機。隨著電子技術和數(shù)字計算技術的發(fā)展，數(shù)字式計算機早已代替了模擬式計算機。所以實際上，旋轉(zhuǎn)變壓器目前主要是用于角度位置伺服控制系統(tǒng)中。由于兩相的旋轉(zhuǎn)變壓器比自整角機更容易提高精度，所以旋轉(zhuǎn)變壓器應用的更廣泛。特別是，在高精度的雙通道、雙速系統(tǒng)中，廣泛應用的多極電氣元件，原來采用的是多極自整角機，現(xiàn)在基本上都是采用多極旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器是目前國內(nèi)的專業(yè)名稱，簡稱“旋變”。俄文里稱作“Bpama10ma宓caTpaHccopMaTop”,詞義就是“旋轉(zhuǎn)變壓器”。英文名字叫"resoker根據(jù)詞義，有人把它稱作為“解算器”或“分解器”。作為角度位置傳感元件，常用的有這樣幾種：光學編

3、碼器、磁性編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。由于制作和精度的緣故，磁性編碼器沒有其他兩種普及。光學編碼器的輸出信號是脈沖，由于是天然的數(shù)字量，數(shù)據(jù)處理比較方便，因而得到了很好的應用。早期的旋轉(zhuǎn)變壓器，由于信號處理電路比較復雜，價格比較貴的原因，應用受到了限制。因為旋轉(zhuǎn)變壓器具有無可比擬的可靠性，以及具有足夠高的精度，在許多場合有著不可代替的地位，特別是在軍事以及航天、航空、航海等方面。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件集成化程度的提高，元器件的價格大大下降；另外，信號處理技術的進步，旋轉(zhuǎn)變壓器的信號處理電路變得簡單、可靠，價格也大大下降。而且，又出現(xiàn)了軟件解碼的信號處理，使得信號處理問題變得更加靈活、方便。這樣

4、，旋轉(zhuǎn)變壓器的應用得到了更大的發(fā)展，其優(yōu)點得到了更大的體現(xiàn)。和光學編碼器相比，旋轉(zhuǎn)變壓器有這樣幾點明顯的優(yōu)點：無可比擬的可靠性，非常好的抗惡劣環(huán)境條件的能力；可以運行在更高的轉(zhuǎn)速下。（在輸出12bit的信號下，允許電動機的轉(zhuǎn)速可達60,000rpm。而光學編碼器，由于光電器件的頻響一般在200kHz以下，在12bit時，速度只能達到3,000rpm）;方便的絕對值信號數(shù)據(jù)輸出。1.2.旋轉(zhuǎn)變壓器的應用旋轉(zhuǎn)變壓器的應用，近期發(fā)展很快。除了傳統(tǒng)的、要求可靠性高的軍用、航空航天領域之外，在工業(yè)、交通以及民用領域也得到了廣泛的應用。特別應該提出的是，這些年來，隨著工業(yè)自動化水平的提高，隨著節(jié)能減排的要

5、求越來越高，效率高、節(jié)能顯著的永磁交流電動機的應用，越來越廣泛。而永磁交流電動機的位置傳感器，原來是以光學編碼器居多，但這些年來，卻迅速地被旋轉(zhuǎn)變壓器代替?？梢耘e幾個明顯的例子，在家電中，不論是冰箱、空調(diào)、還是洗衣機，目前都是向變頻變速發(fā)展，采用的是正弦波控制的永磁交流電動機。目前各國都在非常重視的電動汽車中，電動汽車中所用的位置、速度傳感器都是旋轉(zhuǎn)變壓器。例如，驅(qū)動用電動機和發(fā)電機的位置傳感、電動助力方向盤電機的位置速度傳感、燃氣閥角度測量、真空室傳送器角度位置測量等等，都是采用旋轉(zhuǎn)變壓器。在應用于塑壓系統(tǒng)、紡織系統(tǒng)、冶金系統(tǒng)以及其他領域里，所應用的伺服系統(tǒng)中關鍵部件伺服電動機上，也是用旋轉(zhuǎn)

6、變壓器作為位置速度傳感器。旋轉(zhuǎn)變壓器的應用已經(jīng)成為一種趨勢。.3.旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構根據(jù)轉(zhuǎn)子電信號引進、引出的方式，分為有刷旋轉(zhuǎn)變壓器和無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。在有刷旋轉(zhuǎn)變壓器中，定、轉(zhuǎn)子上都有繞組。轉(zhuǎn)子繞組的電信號，通過滑動接觸，由轉(zhuǎn)子上的滑環(huán)和定子上的電刷引進或引出。由于有刷結(jié)構的存在，使得旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性很難得到保證。因此目前這種結(jié)構形式的旋轉(zhuǎn)變壓器應用的很少，我們著重于介紹無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。目前無刷旋轉(zhuǎn)變壓器有兩種結(jié)構形式。一種稱作為環(huán)形變壓器式無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，另一種稱作為磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器。1）環(huán)形變壓器式旋轉(zhuǎn)變壓器圖1示出環(huán)形變壓器式無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構。這種結(jié)構很好地實現(xiàn)了無刷、無接觸。圖中

7、右側(cè)部分是典型的旋轉(zhuǎn)變壓器的定、轉(zhuǎn)子，在結(jié)構上和有刷旋轉(zhuǎn)變壓器一樣的定、轉(zhuǎn)子繞組，作信號變換。左側(cè)是環(huán)形變壓器。它的一個繞組在定子上，一個在轉(zhuǎn)子上，同心放置。轉(zhuǎn)子上的環(huán)形變壓器繞組和作信號變換的轉(zhuǎn)子繞組相聯(lián)，它的電信號的輸入輸出由環(huán)形變壓器完成。A普通旋轉(zhuǎn)變壓器B一環(huán)形變壓器圖1無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構示意2）磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器圖2是一個10對極的磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的示意圖。磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁繞組和輸出繞組放在同一套定子槽內(nèi)，固定不動。但勵磁繞組和輸出繞組的形式不一樣。兩相繞組的輸出信號，仍然應該是隨轉(zhuǎn)角作正弦變化、彼此相差90。電角度的電信號。轉(zhuǎn)子磁極形狀作特殊設計,使得氣隙磁場近似于正弦形。轉(zhuǎn)

8、子形狀的設計也必須滿足所要求的極數(shù)?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)子的形狀決定了極對數(shù)和氣隙磁場的形狀。磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器一般都做成分裝式，不組合在一起，以分裝形式提供給用戶，由用戶自己組裝配合。圖2磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構示意3）多極旋轉(zhuǎn)變壓器圖3多極旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構示意圖。圖3a）、b）是共磁路結(jié)構，粗、精機定、轉(zhuǎn)子繞組公用一套鐵心。所謂粗機，是指單對磁極的旋轉(zhuǎn)變壓器，它的精度低，所以稱為粗機；精機是指多對極的旋轉(zhuǎn)變壓器，由于精度高，多對磁極的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為精機。其中圖3a）表示的是旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子組裝成一體，由機殼、端蓋和軸承將它們連在一起。稱為組裝式，圖3b）的定轉(zhuǎn)子是分開的，稱為分裝式。圖3c）、d）

9、是分磁路結(jié)構，粗、精機定、轉(zhuǎn)子繞組各有自己的鐵心。其中圖4c）、d）都是組裝式，只是粗、精機位置安放的形式不一樣，圖3c）的粗、精機平行放置，圖3d）粗、精機是垂直放置，粗機在內(nèi)腔。另外，很多時候也有單獨的多極旋轉(zhuǎn)變壓器。應用時，若仍需要單對極的旋轉(zhuǎn)變壓器，則另外配置。a)b)c)d)共磁路分磁路a）組裝式b）分裝式c）粗精平行放置d）粗精垂直放置圖3多極旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構示意對于多極旋轉(zhuǎn)變壓器，一般都必須和單極旋轉(zhuǎn)變壓器組成統(tǒng)一的系統(tǒng)。在旋轉(zhuǎn)變壓器的設計中，如果單極旋轉(zhuǎn)變壓器和多極旋轉(zhuǎn)變壓器設計在同一套定、轉(zhuǎn)子鐵心中，而分別有自己的單極繞組和多極繞組。這種結(jié)構的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器。如

10、果單極旋轉(zhuǎn)變壓器和多極旋轉(zhuǎn)變壓器都是單獨設計，都有自己的定、轉(zhuǎn)子鐵心。這種結(jié)構的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為單通道旋轉(zhuǎn)變壓器。.旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理2.1.旋轉(zhuǎn)變壓器角度位置伺服控制系統(tǒng)圖4是一個比較典型的角度位置伺服控制系統(tǒng)。XF稱作旋變發(fā)送機，XB稱作旋變變壓器。旋變發(fā)送機發(fā)送一個與機械轉(zhuǎn)角有關的、作一定函數(shù)關系變化的電氣信號；旋變變壓器接受這個信號、并產(chǎn)生和輸出一個與雙方機械轉(zhuǎn)角之差有關的電氣信號。伺服放大器接受選變壓器的輸出信號，作為伺服電動機的控制信號。經(jīng)放大，驅(qū)動伺服電動機旋轉(zhuǎn)，并帶動接受方旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)軸及其它相連的機構，直至達到和發(fā)送機方一致的角位置。旋變發(fā)送機的初級，一般在轉(zhuǎn)子上設有正交的兩

11、相繞組，其中一相作為勵磁繞組，輸入單相交流電壓；另一相短接，以抵消交軸磁通，改善精度。次級也是正交的兩相繞組。旋變變壓器的初級一般在定子上，由正交的兩相繞組組成；次級為單項繞組，沒有正交繞組。R1of二餐XFR4S1S11R21S2S4S2S3R2XBS4,伺服驅(qū)動控制器二電動機1-一變速齒輪圖4旋轉(zhuǎn)變壓器角度位置伺服控制系統(tǒng)應該指出，由于結(jié)構的關系，磁阻式旋變只有旋變發(fā)送機，沒有旋變變壓器。2.2.工作原理前面已經(jīng)介紹過，旋轉(zhuǎn)變壓器有旋變發(fā)送機和旋變壓器之分。作為旋變發(fā)送機它的勵磁繞(1)組是由單相電壓供電，電壓可以寫為式（1）形式：U1(t)=U1msinot其中，Um勵磁電壓的幅值，3一

12、勵磁電壓的角頻率。勵磁繞組的勵磁電流產(chǎn)生的交變磁通,在次級輸出繞組中感生出電動勢。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，由于勵磁繞組和次級輸出繞組的相對位置發(fā)生變化，因而次級輸出繞組感生的電動勢也發(fā)生變化。又由于次級輸出的兩相繞組在空間成正交的90°電角度，因而兩相輸出電壓如式（2）所示：U2Fs(t)=UU2Fc(t)=U2Fm2Fmsin(;.-?t7工F)sin冊sin(，tF)cos入(2)勵磁方和次級輸出方電壓之間的相位角,其中，U2Fs正弦相的輸出電壓，U2Fc余弦相的輸出電壓，U2Fm次級輸出電壓的幅值；aF19F發(fā)送機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角?？梢钥闯觯瑒畲欧胶洼敵龇降碾妷菏峭l率的，但存在著相位差。正弦

13、相和余弦相在電的時間相位上是同相的，但幅值彼U(a)1角分別作正弦和余弦函數(shù)變化。U2FS(a)U2fc(口)360a圖5旋變發(fā)送機兩相輸出電壓和轉(zhuǎn)角的關系曲線旋變發(fā)送機的兩相次級輸出繞組，和旋變變壓器的原方兩相勵磁繞組分別相聯(lián)。這樣，式（2）所表示的兩相電壓，也就成了旋變變壓器的勵磁電壓，并在旋變變壓器中產(chǎn)生磁通4b。旋轉(zhuǎn)變壓器的單相繞組作為輸出繞組，旋變發(fā)送機次級繞組和旋變變壓器初級繞組中流過的電流為IaU2FmsinZfZbU2Fm(3)ZfZbcos-F由這兩個電流建立的空間和成磁動勢為Ff(x)=F2Fmicos0Fcos-x-sin0Fsin一x=F2Fmcos(0F+x)(4)T

14、TJT式(4)表示在旋變發(fā)送機中，合成磁動勢的軸線總是位于0f角上，亦即和勵磁繞組軸線一致的位置上，和轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動。可以知道，在旋變變壓器中，合成磁動勢的軸線相應地也是和A相繞組距。f角的位置上。只是由于電流方向相反，其方向也和在旋變發(fā)送機中相差180。若旋變變壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為。b,則其單相輸出繞組軸線和勵磁磁場軸線夾角相差A0=0f-0Bo那么，輸出繞組的感應電動勢應是：Ub2(A0)=U2Bmcos(5)將輸出繞組在空間移過90。這樣，在協(xié)調(diào)位置時，輸出電動勢為零。此時，輸出電動勢和失調(diào)角的關系成為正弦函數(shù)：UB2(&日)=U2BmsinAO(6)UB2(A9)Ii90'18

15、0'270'360-A9圖6旋變變壓器輸出電動勢和失調(diào)角的關系曲線從圖6和式(6)可以看出，輸出電動勢有兩個為零的位置，即A0=0°和在A0=180°。在0°和180°范圍內(nèi)，電動勢的時間相位為正，在180°和360°范圍內(nèi)，電動勢的時間相位變化了180°。A0=180°的這個點屬于不穩(wěn)定點，因為在這個點上，電動勢的梯度為負。當有失調(diào)角時，旋變變壓器輸出繞組電動勢不為零，這個電動勢控制伺服放大器去驅(qū)動伺服電動機，驅(qū)使旋變變壓器和其它裝置轉(zhuǎn)到協(xié)調(diào)位置。這時，輸出繞組的輸出為零，伺服電動機停止工作。因此

16、，根據(jù)信號幅值大小和正、負方向工作的伺服電動機，總是把旋變變壓器的轉(zhuǎn)軸帶到穩(wěn)定工作點A0=0°的位置上。2.3.旋轉(zhuǎn)變壓器單獨作為測角元件在很多場合下，旋轉(zhuǎn)變壓器可以單獨作為測角元件用，直接和角度信號變換單元連接，由角度變換單元輸出角度信號數(shù)據(jù)。磁阻式旋變就是只起這個作用的。下面有關信號變換的部分將會說明。例如下圖所示，其為旋變解碼后的角度顯示：7旋轉(zhuǎn)變壓器解碼后角度顯示.旋轉(zhuǎn)變壓器的主要參數(shù)和性能指標旋轉(zhuǎn)變壓器的主要指標有以下幾個。1）額定勵磁電壓和勵磁頻率勵磁電壓都采用比較低的數(shù)值，一般在10V以下。旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁頻率通常采用400Hz、以及（510）kHz之間。2）變壓比和最

17、大輸出電壓變壓比是指當輸出繞組處于感生最大輸出電壓的位置時，輸出電壓和原邊勵磁電壓之比。3）電氣誤差輸出電動勢和轉(zhuǎn)角之間應符合嚴格的正、余弦關系。如果不符，就會產(chǎn)生誤差，這個誤差角稱為電氣誤差。根據(jù)不同的誤差值確定旋轉(zhuǎn)變壓器的精度等級。不同的旋轉(zhuǎn)變壓器類型，所能達到的精度等級不同。多極旋轉(zhuǎn)變器可以達到高的精度，電氣誤差可以角秒（）來計算；一般的單極旋轉(zhuǎn)變壓器，電氣誤差在（5'15'）之內(nèi)；對于磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器，由于結(jié)構原理的關系，電氣誤差偏大。磁阻式旋變一般都做到兩對極以上。兩對極磁阻式旋變的電氣誤差，一般做到60'（1。）以下。但是，在現(xiàn)代的理論水平和加工條件下，增加

18、極對數(shù)，也可以提高精度，電氣誤差也可控制在數(shù)角秒（）之內(nèi)。4）阻抗一般而言，旋轉(zhuǎn)變壓器的阻抗隨轉(zhuǎn)角變化而變化，以及和初、次級之間相互角度位置有關。因此，測量時應該取特定位置。有這樣4個阻抗：開路輸入阻抗、開路輸出阻抗、短路輸入阻抗、短路輸出阻抗。在目前的應用中，作為旋轉(zhuǎn)變壓器負載的電子電路阻抗都很大，因而往往都把電路看作空載運行。在這種情況下，實際上只給出開路輸入阻抗即可。5）相位移在次級開路的情況下，次級輸出電壓相對于初級勵磁電壓在時間上的相位差。相位差的大小，隨著旋轉(zhuǎn)變壓器的類型、尺寸、結(jié)構和勵磁頻率不同而變化。一般小尺寸、頻率低、極數(shù)多時相位移大，磁阻式旋變相位移最大，環(huán)形變壓器式的相位

19、移次之。6）零位電壓輸出電壓基波同相分量為零的點稱為電氣零位，此時所具有的電壓稱為零位電壓。7）基準電氣零位確定為角度位置參考點的電氣零位點稱作基準電氣零位。.旋轉(zhuǎn)變壓器的信號變換旋轉(zhuǎn)變壓器的信號輸出是兩相正交的模擬信號，它們的幅值隨著轉(zhuǎn)角做正余弦變化，頻率和勵磁頻率一致。這樣一個信號還不能直接應用，這就需要角度數(shù)據(jù)變換電路，把這樣一個模擬量變換成明確的角度量，這就是RDC（ResolverDigitalconverter旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字變換器）電路。在數(shù)字變換中有兩個明顯的特征：為了消除由于勵磁電源幅值和頻率的變化，所引起的副邊輸出信號幅值和頻率的變化，從而造成角度誤差，信號的檢測采用正切法，即檢測兩相信號的比值：外9,這就避免了幅值和頻率變化的影響；采用適時跟蹤反饋原理測角，是con二一個快速的數(shù)字隨動系統(tǒng)，屬于無靜差系統(tǒng)。目前采用的大多都是專用集成電路，例如美國AD公司的AD2S1200、AD2S1205帶有參考振蕩器的12位數(shù)字R/D變換器以及AD2S121010到16位數(shù)字、帶有參考振蕩器的數(shù)字可變R/D變換器。圖7是旋轉(zhuǎn)變壓器和RDC的連接圖示意，位置信號和速度信號都是絕對值信號，它們的位數(shù)由RDC的類型和實際需要決定（10位到16位）。有兩種形式的輸出，旋轉(zhuǎn)變壓器勵磁電源R/Dconver