Resolver 是怎么工作的

Resolver是怎么工作的Resolver，中文名“旋轉(zhuǎn)變壓器”，俗稱“旋變”，其有著幾乎和運(yùn)動(dòng)控制差不多長(zhǎng)的歷史，因?yàn)椋ㄏ啾裙怆娋幋a器）有著較高的可靠性，結(jié)實(shí)、耐用，經(jīng)常作為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的位置反饋，被應(yīng)用在一些非常惡劣設(shè)備環(huán)境中，如風(fēng)電、工程機(jī)械領(lǐng)域...等等。本期，咱們就來聊聊Resolver是怎樣讀取旋轉(zhuǎn)位置反饋的。要了解Resolver是怎樣工作的，首先還是需要再溫習(xí)一下變壓器的工作原理。我們知道，在如上圖所示的變壓器中，當(dāng)初級(jí)線圈上有交變的電流流過時(shí)，就會(huì)在次級(jí)線圈上感應(yīng)產(chǎn)生相同頻率的交變電流輸出，且其大小與兩側(cè)線圈繞組的比例有關(guān)。而如果我們將變壓器的初級(jí)和次級(jí)分開，讓次級(jí)線圈按照上圖箭頭所示方向旋轉(zhuǎn)，就會(huì)看到次級(jí)線圈的電流曲線呈現(xiàn)出這樣的變化趨勢(shì)：0°~90°：次級(jí)線圈輸出電流逐漸減??；90°電流降為0；90°~180°：電流方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，并且電流值逐漸反向增大；180°時(shí)，電流大小與0°時(shí)相同，而方向恰好相反。沿著相同方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)次級(jí)線圈：180°~270°：次級(jí)線圈輸出電流逐漸減??；270°電流降為0；270°~360°：電流方向再次發(fā)生反轉(zhuǎn)，電流值逐漸正向增大；360°時(shí)，電流大小與方向都恢復(fù)到與0°時(shí)完全相同。很明顯，當(dāng)次級(jí)線圈發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)角度將會(huì)決定次級(jí)線圈的電流輸出（波形），換句話說，通過檢測(cè)次級(jí)線圈的電流曲線，就可以反推計(jì)算出線圈旋轉(zhuǎn)的角度。而這其實(shí)就是Resolver的基本工作原理，也是為什么Resolver會(huì)被稱作“旋轉(zhuǎn)變壓器”的原因。不過，這里面其實(shí)還有一個(gè)小狀況，就是在次級(jí)線圈旋轉(zhuǎn)的一圈（360°）內(nèi)，每個(gè)電流輸出波形都會(huì)對(duì)應(yīng)到兩個(gè)角度位置，并且它們的和總是360°；而要解決這個(gè)位置關(guān)系不唯一的問題，方法也很簡(jiǎn)單，就是同時(shí)使用兩個(gè)相互呈直角的次級(jí)線圈，二者的輸出電流之間就會(huì)因此而存在一個(gè)90°的相位差，一個(gè)為正弦（Sin）曲線，另一個(gè)為余弦（Cos）曲線，這樣，借助這兩條電流曲線的組合反推出的線圈旋轉(zhuǎn)的位置就是唯一的了。好了，現(xiàn)在我們可以來說Resolver了。從外觀看，如上圖所示，Resolver很像是一臺(tái)由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成的小型電動(dòng)機(jī)。在Resolver內(nèi)部，有多個(gè)線圈繞組，其中包括，在定子上的一個(gè)輸入繞組和兩個(gè)輸出繞組，和在轉(zhuǎn)子線圈上首尾連通（成一個(gè)回路）的兩個(gè)繞組。如上圖所示，輸入繞組位于定子頂部，它實(shí)際上是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的變壓器的初級(jí)線圈，無需直接的電氣連接（如電刷），該變壓器會(huì)在轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生電流；兩個(gè)輸出繞組也是在定子上的，位于輸入線圈下方，纏繞在多層金屬疊片上，且彼此相互垂直（呈90°）；轉(zhuǎn)子內(nèi)也有一個(gè)線圈，但這個(gè)線圈回路是由兩個(gè)首位相連的繞組相互連通而組成的，其中一個(gè)是前面一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器的次級(jí)繞組，而另一個(gè)則成為另一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器的初級(jí)繞組，用以感應(yīng)定子上相互垂直的兩個(gè)輸出繞組。所以，我們看到在一個(gè)小小的Resolver中，其實(shí)存在著兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的變壓器。前一個(gè)變壓器的初級(jí)是固定在定子上的輸入線圈，次級(jí)是轉(zhuǎn)子上的第一個(gè)繞組。通過參考電源（Ref+/-）為輸入線圈施以正弦交變電流，Resolver的轉(zhuǎn)子上就會(huì)因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生一個(gè)交變電流，由于這個(gè)變壓器的繞組中心是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線上的，因此無論其角度位置如何，轉(zhuǎn)子上感應(yīng)產(chǎn)生的電流都是相同的，也就是說，在轉(zhuǎn)子線圈回路中的兩個(gè)繞組上都會(huì)有一個(gè)固定的交變電流。第二個(gè)變壓器的初級(jí)是轉(zhuǎn)子上的第二個(gè)繞組，次級(jí)是固定在定子上的兩個(gè)相互垂直的輸出線圈。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，這個(gè)變壓器兩側(cè)的線圈就會(huì)發(fā)生相對(duì)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而接下來發(fā)生的事情，就很容易理解了。正如本文開頭所提到的，當(dāng)變壓器兩側(cè)的線圈發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在相互垂直的兩個(gè)次級(jí)繞組線圈上，會(huì)基于其旋轉(zhuǎn)角度輸出一對(duì)特定的電流波形曲線組合。這樣，通過檢測(cè)這兩個(gè)次級(jí)線圈的電流曲線，就可以反推計(jì)算出轉(zhuǎn)子所在的角度位置了。又，兩個(gè)次級(jí)線圈的位置方向是相互垂直的，它們的電流相位也就正好相差90°，我們將這兩組線圈分別稱為“正弦Sin”和“余弦Cos”輸出通道。若用示波器對(duì)Resolver的輸入和輸出電流進(jìn)行監(jiān)視，如上視頻所示，自上而下三條曲線分別為輸入?yún)⒖茧娫?、正弦Sin輸出通道和余弦Cos輸出通道。可以看到，在Resolver順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一圈的過程中，兩個(gè)輸出通道的電流波形曲線會(huì)表現(xiàn)出與之前所說的完全一樣的變化趨勢(shì)。再將Resolver兩個(gè)輸出通道的正弦/余弦（Sin/Cos）信號(hào)接入特定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（A/D）模塊，通過解析模塊讀取到的兩條電流曲線，就能夠識(shí)別出Resolver轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置了。通過上述有關(guān)Resolver工作原理的淺析，不難發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)子一圈（360°）的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，Resolver信號(hào)輸出與其角度位置是一一對(duì)應(yīng)的，因此它實(shí)際上是一種單圈絕對(duì)值位置反饋。并且，由于采用了與電機(jī)類似的結(jié)構(gòu)，位置檢測(cè)和信號(hào)輸出完全基于電磁感應(yīng)原理，幾乎不使用任何微電子元器件，因此Resolver具有極高的可靠性，能適應(yīng)一些較為惡劣甚至極端的設(shè)備應(yīng)用環(huán)境，例如：高溫、低溫、振動(dòng)、沖擊、油污...等等。同時(shí)，也正因?yàn)槠湮恢梅答伿且哉嘞译娏髑€這種模擬量信號(hào)的形式輸出的，Resolver也有著一些特定的應(yīng)用短板，例如：很難達(dá)到光電式編碼器所具備的超高精度，不適合作為高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)位置反饋；輸出信號(hào)反饋僅僅能以電流曲線的形式反應(yīng)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)位置，而無法承載更多Resolver自身和設(shè)備的狀態(tài)信息，如：電機(jī)溫度、產(chǎn)品標(biāo)簽...等，因此在制造系統(tǒng)升級(jí)的信息化進(jìn)程