旋轉(zhuǎn)變壓器基礎(chǔ)知識

旋轉(zhuǎn)變壓器基礎(chǔ)知識旋轉(zhuǎn)變壓器基礎(chǔ)知識旋轉(zhuǎn)變壓器基礎(chǔ)知識xxx公司旋轉(zhuǎn)變壓器基礎(chǔ)知識文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號元件。當(dāng)勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時(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：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。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。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。圖4－3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（4—1）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)電勢則為（4—2）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)床工作臺的位移。由式(4－2)可知，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢為以角速度ω隨時(shí)間t變化的交變電壓信號。其幅值隨轉(zhuǎn)子和定子的相對角位移以正弦函數(shù)變化。因此，只要測量出轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢的幅值，便可間接地得到轉(zhuǎn)子相對于定子的位置，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)電勢的相位來確定被測位移大小的檢測方式。如圖4-4所示，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組均由兩個匝數(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)（4—3）（4—4）根據(jù)線性疊加原理，可在轉(zhuǎn)子繞組中得到感應(yīng)電勢，其值為激磁電壓和在中產(chǎn)生感應(yīng)電勢和之和，即（4—5）圖4-4旋轉(zhuǎn)變壓器電氣工作原理由式(4—4)和(4—5)可見，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢與定子繞組中的激磁電壓同頻率，但相位不同，其差值為。而角正是被測位移，故通過比較感應(yīng)電勢與定子激磁電壓信號的相位，便可求出。在圖4—4中，轉(zhuǎn)子繞組接一高阻抗，它不作為旋轉(zhuǎn)變壓器的測量輸出，主要起平衡磁場的作用，目的是為了提高測量精度。2．鑒幅式工作方式鑒幅式工作方式是通過對旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢幅值的檢測來實(shí)現(xiàn)位移檢測的。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（4—6）（4—7）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)電勢如下：（4—8）由式(4-8)可以看出，感應(yīng)電勢是幅值為的交變電壓信號，我們只要逐漸改變值，使的幅值等于零，這時(shí)，因（4—9）故可得：=（4—10）值就是被測角位移的大小。由于是我們通過對它的逐漸改變，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)信號和激磁信號Vk之間的相位差θ角，可通過專用的鑒相器線路檢測出來并表示成相應(yīng)的電壓信號，設(shè)為U(θ)，通過測量該電壓信號，便可間接地求得θ值。但由于是關(guān)于θ的周期性函數(shù)，U(θ)是通過比較和Vk之值獲得的，因而它也是關(guān)于θ的周期性函數(shù)，即U(θ)=U(n×2π+θ)(n=1,2,3,…)（4—9）故在實(shí)際應(yīng)用中，不但要測出U(θ)的大小，而且還要測出U(θ)的周期性變化次數(shù)n，或者將被測角位移θ角限制在±π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（4—10）它也是關(guān)于θ的周期性函數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，同樣需要將θ角限制在±π之內(nèi)。在這種情況下，若規(guī)定和限制α角只能在［-π,π］內(nèi)取值，利用式(4-10)，便可唯一地確定出θ之值。否則，如θ=3π／2(＞π)，這時(shí)，α=3π／2和α=-π／2都可使m，從而使θ角不能唯一地確定，造成檢測結(jié)果錯誤。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，都需要將被測角位移θ角限定在±π之內(nèi)，只要θ在±π之內(nèi)，就能夠被正確地檢測出來。事實(shí)上，對于被測角位移大于π或小于-π的情況，如用旋轉(zhuǎn)變壓器檢測機(jī)床絲杠轉(zhuǎn)角的情況，盡管總的機(jī)床絲杠轉(zhuǎn)角θ可能很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出限定的±π范圍，但卻是機(jī)床絲杠轉(zhuǎn)過的若干次小角度θi之和，即（4—11）而θi很小，在數(shù)控機(jī)床上一般不超過3°，符合-π≤θi≤π的要求，旋轉(zhuǎn)變壓器及其信號處理線路可以及時(shí)地將它們一一檢測出來，并將結(jié)果輸出。因此，這種檢測方式屬于動態(tài)跟隨檢測和增量式檢測?；谛D(zhuǎn)變壓器的永磁同步電機(jī)高精度位置檢測系統(tǒng)永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是轉(zhuǎn)子位置的檢測，只有檢測出轉(zhuǎn)子實(shí)際空間位置（絕對位置）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機(jī)的正常工作。因此在采用轉(zhuǎn)子磁場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)變壓器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。分析了ad2s80a的工作原理,設(shè)計(jì)了位置信號檢測電路，并給出了與數(shù)字信號處理器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（簡稱旋變）是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號元件。當(dāng)勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時(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)動角度為θ，初級線圈電壓（即勵磁電壓）為:

er1-r2＝esin2πft式中

f——勵磁頻率;e——信號幅度。

那么輸出電壓：es1-s3＝kesin2πftcosθes2-s4＝kesin2πftsinθ

式中

k——傳輸比;θ——轉(zhuǎn)子偏離原點(diǎn)的角度。

令θ＝ωt,即轉(zhuǎn)子做勻速運(yùn)動，

那么其輸出信號的函數(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)信號為為sinωt和cosωt，數(shù)字轉(zhuǎn)換器就是通過檢測這兩組輸出信號獲取旋變位置信息的。位置檢測轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)[1-2]ad2s80a

芯片簡介

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、16

bit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)子端必須施加一個正弦激勵。本系統(tǒng)中正弦激磁信號由intersil公司的icl8038芯片產(chǎn)生，根據(jù)永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際情況,激磁信號選取為10

khz的正弦波（即ad2s80a的參考頻率），ad2s80a的分辨率選為16

bit,最大跟蹤速度為16.

25

r/

s,帶寬為600

hz。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)reference

i/p引腳引入的正弦信號sin和余弦信號cos以及sin引腳輸入的調(diào)制信號,實(shí)現(xiàn)絕對角度測量。

由圖3可知,ad2s80a作為一個跟蹤轉(zhuǎn)換器運(yùn)行,數(shù)碼輸出能以選取的最大跟蹤速率自動跟蹤軸角輸。因?yàn)樗捎靡环N比率式跟蹤方法,輸出的數(shù)字角度只與輸入的sin和cos信號比值有關(guān),而與他們的絕對值無關(guān),故ad2s80a對輸入信號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。轉(zhuǎn)換環(huán)路中相敏檢測器確保了對參考信號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byte

select引腳的控制,可向8

bit或16

bit數(shù)據(jù)總線傳輸。

位置檢測模塊與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)子位置信號采用spi串行通訊模式傳輸?shù)絛sp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)clk

inh為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)不能輸出，當(dāng)clk

inh

變?yōu)榈碗娖胶螅谙乱粋€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)楦唠娖胶螅瑪?shù)據(jù)被鎖存。從而可以用一個反相器將clk

inh的輸入信號反相后再接入sh/ld，這樣當(dāng)clk

inh

為高電平時(shí)，并口輸出的數(shù)據(jù)被采集到片內(nèi)，當(dāng)clk

inh

為低電平后，在下一個脈沖上升沿，數(shù)據(jù)開始移位輸出，而clk

inh可以作為spi通訊的片選信號。spi通訊的實(shí)現(xiàn)

dsp與位置信號檢測模塊進(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與位置檢測模塊spi通訊連接示意圖。

圖5位置檢測模塊與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i/o口，給spitie一個低電平選通dsp，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與位置檢測模塊的spi通訊。

需要注意的一個問題是，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的片選信號之前，可以先檢測74hc165的脈沖信號，在檢測到此脈沖的下降沿后，延時(shí)大約一個脈沖周期后，再選通dsp，在這樣的一個脈沖之后的下一個上升沿，數(shù)據(jù)開始往dsp的spi口傳送，這樣

dsp接收的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生移位現(xiàn)象。下面給出一個dsp與位置檢測模塊spi通訊的參考程序段:設(shè)置spi

ldp

#0e0h;設(shè)置iopc3作為

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