旋转变压器原理及应用.docx
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旋转变压器原理及应用
旋转变压器原理及应用
⒈概述
⒈⒈旋转变压器的发展
旋转变压器用于运动伺服控制系统中，作为角度位置的传感和测量用。
早期的旋转变压器用于计算解答装置中，作为模拟计算机中的主要组成部分之一。
其输出，是随转子转角作某种函数变化的电气信号，通常是正弦、余弦、线性等。
这些函数是最常见的，也是容易实现的。
在对绕组做专门设计时，也可产生某些特殊函数的电气输出。
但这样的函数只用于特殊的场合，不是通用的。
60年代起，旋转变压器逐渐用于伺服系统，作为角度信号的产生和检测元件。
三线的三相的自整角机，早于四线的两相旋转变压器应用于系统中。
所以作为角度信号传输的旋转变压器，有时被称作四线自整角机。
随着电子技术和数字计算技术的发展，数字式计算机早已代替了模拟式计算机。
所以实际上，旋转变压器目前主要是用于角度位置伺服控制系统中。
由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度，所以旋转变压器应用的更广泛。
特别是，在高精度的双通道、双速系统中，广泛应用的多极电气元件，原来采用的是多极自整角机，现在基本上都是采用多极旋转变压器。
旋转变压器是目前国内的专业名称，简称“旋变”。
俄文里称作“ВращающийсяТрансформатор”，词义就是“旋转变压器”。
英文名字叫“resolver”，根据词义，有人把它称作为“解算器”或“分解器”。
作为角度位置传感元件，常用的有这样几种：
光学编码器、磁性编码器和旋转变压器。
由于制作和精度的缘故，磁性编码器没有其他两种普及。
光学编码器的输出信号是脉冲，由于是天然的数字量，数据处理比较方便，因而得到了很好的应用。
早期的旋转变压器，由于信号处理电路比较复杂，价格比较贵的原因，应用受到了限制。
因为旋转变压器具有无可比拟的可靠性，以及具有足够高的精度，在许多场合有着不可代替的地位，特别是在军事以及航天、航空、航海等方面。
随着电子工业的发展，电子元器件集成化程度的提高，元器件的价格大大下降；另外，信号处理技术的进步，旋转变压器的信号处理电路变得简单、可靠，价格也大大下降。
而且，又出现了软件解码的信号处理，使得信号处理问题变得更加灵活、方便。
这样，旋转变压器的应用得到了更大的发展，其优点得到了更大的体现。
和光学编码器相比，旋转变压器有这样几点明显的优点：
①无可比拟的可靠性，非常好的抗恶劣环境条件的能力；②可以运行在更高的转速下。
（在输出12bit的信号下，允许电动机的转速可达60,000rpm。
而光学编码器，由于光电器件的频响一般在200kHz以下，在12bit时，速度只能达到3,000rpm）；③方便的绝对值信号数据输出。
⒈⒉旋转变压器的应用
旋转变压器的应用，近期发展很快。
除了传统的、要求可靠性高的军用、航空航天领域之外，在工业、交通以及民用领域也得到了广泛的应用。
特别应该提出的是，这些年来，随着工业自动化水平的提高，随着节能减排的要求越来越高，效率高、节能显著的永磁交流电动机的应用，越来越广泛。
而永磁交流电动机的位置传感器，原来是以光学编码器居多，但这些年来，却迅速地被旋转变压器代替。
可以举几个明显的例子，在家电中，不论是冰箱、空调、还是洗衣机，目前都是向变频变速发展，采用的是正弦波控制的永磁交流电动机。
目前各国都在非常重视的电动汽车中，电动汽车中所用的位置、速度传感器都是旋转变压器。
例如，驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气阀角度测量、真空室传送器角度位置测量等等，都是采用旋转变压器。
在应用于塑压系统、纺织系统、冶金系统以及其他领域里，所应用的伺服系统中关键部件伺服电动机上，也是用旋转变压器作为位置速度传感器。
旋转变压器的应用已经成为一种趋势。
⒈⒊旋转变压器的结构
根据转子电信号引进、引出的方式，分为有刷旋转变压器和无刷旋转变压器。
在有刷旋转变压器中，定、转子上都有绕组。
转子绕组的电信号，通过滑动接触，由转子上的滑环和定子上的电刷引进或引出。
由于有刷结构的存在，使得旋转变压器的可靠性很难得到保证。
因此目前这种结构形式的旋转变压器应用的很少，我们着重于介绍无刷旋转变压器。
目前无刷旋转变压器有两种结构形式。
一种称作为环形变压器式无刷旋转变压器，另一种称作为磁阻式旋转变压器。
1）环形变压器式旋转变压器
图1示出环形变压器式无刷旋转变压器的结构。
这种结构很好地实现了无刷、无接触。
图中右侧部分是典型的旋转变压器的定、转子，在结构上和有刷旋转变压器一样的定、转子绕组，作信号变换。
左侧是环形变压器。
它的一个绕组在定子上，一个在转子上，同心放置。
转子上的环形变压器绕组和作信号变换的转子绕组相联，它的电信号的输入输出由环形变压器完成。
A—普通旋转变压器B—环形变压器
图1无刷式旋转变压器结构示意
2）磁阻式旋转变压器
图2是一个10对极的磁阻式旋转变压器的示意图。
磁阻式旋转变压器的励磁绕组和输出绕组放在同一套定子槽内，固定不动。
但励磁绕组和输出绕组的形式不一样。
两相绕组的输出信号，仍然应该是随转角作正弦变化、彼此相差90°电角度的电信号。
转子磁极形状作特殊设计，使得气隙磁场近似于正弦形。
转子形状的设计也必须满足所要求的极数。
可以看出，转子的形状决定了极对数和气隙磁场的形状。
磁阻式旋转变压器一般都做成分装式，不组合在一起，以分装形式提供给用户，由用户自己组装配合。
图2磁阻式旋转变压器结构示意
3）多极旋转变压器
图3多极旋转变压器的结构示意图。
图3a）、b）是共磁路结构，粗、精机定、转子绕组公用一套铁心。
所谓粗机，是指单对磁极的旋转变压器，它的精度低，所以称为粗机；精机是指多对极的旋转变压器，由于精度高，多对磁极的旋转变压器称为精机。
其中图3a）表示的是旋转变压器的定子和转子组装成一体，由机壳、端盖和轴承将它们连在一起。
称为组装式，图3b）的定转子是分开的，称为分装式。
图3c）、d）是分磁路结构，粗、精机定、转子绕组各有自己的铁心。
其中图4c）、d）都是组装式，只是粗、精机位置安放的形式不一样，图3c）的粗、精机平行放置，图3d）粗、精机是垂直放置，粗机在内腔。
另外，很多时候也有单独的多极旋转变压器。
应用时，若仍需要单对极的旋转变压器，则另外配置。
共磁路分磁路
a）组装式b）分装式c）粗精平行放置d）粗精垂直放置
图3多极旋转变压器结构示意
对于多极旋转变压器，一般都必须和单极旋转变压器组成统一的系统。
在旋转变压器的设计中，如果单极旋转变压器和多极旋转变压器设计在同一套定、转子铁心中，而分别有自己的单极绕组和多极绕组。
这种结构的旋转变压器称为双通道旋转变压器。
如果单极旋转变压器和多极旋转变压器都是单独设计，都有自己的定、转子铁心。
这种结构的旋转变压器称为单通道旋转变压器。
⒉旋转变压器的工作原理
⒉⒈旋转变压器角度位置伺服控制系统
图4是一个比较典型的角度位置伺服控制系统。
XF称作旋变发送机，XB称作旋变变压器。
旋变发送机发送一个与机械转角有关的、作一定函数关系变化的电气信号；旋变变压器接受这个信号、并产生和输出一个与双方机械转角之差有关的电气信号。
伺服放大器接受选变压器的输出信号，作为伺服电动机的控制信号。
经放大，驱动伺服电动机旋转，并带动接受方旋转变压器转轴及其它相连的机构，直至达到和发送机方一致的角位置。
旋变发送机的初级，一般在转子上设有正交的两相绕组，其中一相作为励磁绕组，输入单相交流电压；另一相短接，以抵消交轴磁通，改善精度。
次级也是正交的两相绕组。
旋变变压器的初级一般在定子上，由正交的两相绕组组成；次级为单项绕组，没有正交绕组。
图4旋转变压器角度位置伺服控制系统
应该指出，由于结构的关系，磁阻式旋变只有旋变发送机，没有旋变变压器。
⒉⒉工作原理
前面已经介绍过，旋转变压器有旋变发送机和旋变压器之分。
作为旋变发送机它的励磁绕组是由单相电压供电，电压可以写为式
（1）形式：
（1）
其中，U1m—励磁电压的幅值，ω—励磁电压的角频率。
励磁绕组的励磁电流产生的交变磁通，在次级输出绕组中感生出电动势。
当转子转动时，由于励磁绕组和次级输出绕组的相对位置发生变化，因而次级输出绕组感生的电动势也发生变化。
又由于次级输出的两相绕组在空间成正交的90°电角度，因而两相输出电压如式
（2）所示：
（2）
其中，U2Fs—正弦相的输出电压，U2Fc—余弦相的输出电压，U2Fm—次级输出电压的幅值；αF—励磁方和次级输出方电压之间的相位角，θF—发送机转子的转角。
可以看出，励磁方和输出方的电压是同频率的，但存在着相位差。
正弦相和余弦相在电的时间相位上是同相的，但幅值彼此随转角分别作正弦和余弦函数变化。
图5旋变发送机两相输出电压和转角的关系曲线
旋变发送机的两相次级输出绕组，和旋变变压器的原方两相励磁绕组分别相联。
这样，式
（2）所表示的两相电压，也就成了旋变变压器的励磁电压，并在旋变变压器中产生磁通φB。
旋转变压器的单相绕组作为输出绕组，旋变发送机次级绕组和旋变变压器初级绕组中流过的电流为
（3）
由这两个电流建立的空间和成磁动势为
（4）
式（4）表示在旋变发送机中，合成磁动势的轴线总是位于θF角上，亦即和励磁绕组轴线一致的位置上，和转子一起转动。
可以知道，在旋变变压器中，合成磁动势的轴线相应地也是和A相绕组距θF角的位置上。
只是由于电流方向相反，其方向也和在旋变发送机中相差180°。
若旋变变压器转子转角为θB，则其单相输出绕组轴线和励磁磁场轴线夹角相差Δθ=θF－θB。
那么，输出绕组的感应电动势应是：
（5）
将输出绕组在空间移过90°。
这样，在协调位置时，输出电动势为零。
此时，输出电动势和失调角的关系成为正弦函数：
（6）
图6旋变变压器输出电动势和失调角的关系曲线
从图6和式（6）可以看出，输出电动势有两个为零的位置，即Δθ＝0°和在Δθ＝180°。
在0°和180°范围内，电动势的时间相位为正，在180°和360°范围内，电动势的时间相位变化了
180°。
Δθ＝180°的这个点属于不稳定点，因为在这个点上，电动势的梯度为负。
当有失调角时，旋变变压器输出绕组电动势不为零，这个电动势控制伺服放大器去驱动伺服电动机，驱使旋变变压器和其它装置转到协调位置。
这时，输出绕组的输出为零，伺服电动机停止工作。
因此，根据信号幅值大小和正、负方向工作的伺服电动机，总是把旋变变压器的转轴带到稳定工作点Δθ＝0°的位置上。
⒉⒊旋转变压器单独作为测角元件
在很多场合下，旋转变压器可以单独作为测角元件用，直接和角度信号变换单元连接，由角度变换单元输出角度信号数据。
磁阻式旋变就是只起这个作用的。
下面有关信号变换的部分将会说明。
例如下图所示，其为旋变解码后的角度显示：
图7旋转变压器解码后角度显示
⒊旋转变压器的主要参数和性能指标
旋转变压器的主要指标有以下几个。
1）额定励磁电压和励磁频率励磁电压都采用比较低的数值，一般在10V以下。
旋转变压器的励磁频率通常采用400Hz、以及（5～10）kHz之间。
2）变压比和最大输出电压变压比是指当输出绕组处于感生最大输出电压的位置时，输出电压和原边励磁电压之比。
3）电气误差输出电动势和转角之间应符合严格的正、余弦关系。
如果不符，就会产生误差，这个误差角称为电气误差。
根据不同的误差值确定旋转变压器的精度等级。
不同的旋转变压器类型，所能达到的精度等级不同。
多极旋转变器可以达到高的精度，电气误差可以角秒（″）来计算；一般的单极旋转变压器，电气误差在（5′～15′）之内；对于磁阻式旋转变压器，由于结构原理的关系，电气误差偏大。
磁阻式旋变一般都做到两对极以上。
两对极磁阻式旋变的电气误差，一般做到60′（1°）以下。
但是，在现代的理论水平和加工条件下，增加极对数，也可以提高精度，电气误差也可控制在数角秒（″）之内。
4）阻抗一般而言，旋转变压器的阻抗随转角变化而变化，以及和初、次级之间相互角度位置有关。
因此，测量时应该取特定位置。
有这样4个阻抗：
开路输入阻抗、开路输出阻抗、短路输入阻抗、短路输出阻抗。
在目前的应用中，作为旋转变压器负载的电子电路阻抗都很大，因而往往都把电路看作空载运行。
在这种情况下，实际上只给出开路输入阻抗即可。
5）相位移在次级开路的情况下，次级输出电压相对于初级励磁电压在时间上的相位差。
相位差的大小，随着旋转变压器的类型、尺寸、结构和励磁频率不同而变化。
一般小尺寸、频率低、极数多时相位移大，磁阻式旋变相位移最大，环形变压器式的相位移次之。
6）零位电压输出电压基波同相分量为零的点称为电气零位，此时所具有的电压称为零位电压。
7）基准电气零位确定为角度位置参考点的电气零位点称作基准电气零位。
⒋旋转变压器的信号变换
旋转变压器的信号输出是两相正交的模拟信号，它们的幅值随着转角做正余弦变化，频率和励磁频率一致。
这样一个信号还不能直接应用，这就需要角度数据变换电路，把这样一个模拟量变换成明确的角度量，这就是RDC（ResolverDigitalconverter—旋转变压器数字变换器）电路。
在数字变换中有两个明显的特征：
①为了消除由于励磁电源幅值和频率的变化，所引起的副边输出信号幅值和频率的变化，从而造成角度误差，信号的检测采用正切法，即检测两相信号的比值：
，这就避免了幅值和频率变化的影响；②采用适时跟踪反馈原理测角，是一个快速的数字随动系统，属于无静差系统。
目前采用的大多都是专用集成电路，例如美国AD公司的AD2S1200、AD2S1205带有参考振荡器的12位数字R/D变换器以及AD2S121010到16位数字、带有参考振荡器的数字可变R/D变换器。
图7是旋转变压器和RDC的连接图示意，位置信号和速度信号都是绝对值信号，它们的位数由RDC的类型和实际需要决定（10位到16位）。
有两种形式的输出，
图7旋转变压器和RDC的连接图示意
串行或并行。
上述的几种RDC芯片，还可将输出信号变换成编码器形式的输出，即正交的A、B和每转一个的Z信号。
励磁电源同时接到旋转变压器和RDC，在RDC中作为相位的参考。
利用DSP（数字信号处理器）技术和软件技术，不用RDC芯片，直接用DSP作旋转变压器位置和速度变换，已经成为现实。
例如采用TI公司的DSP芯片TMS320F240就得到成功的应用。
用DSP实现旋转变压器的解码，具有这样一些明显的优点：
①降低成本，取消了专用的RDCIC芯片；②采用数字滤波器，可以消除速度带来的滞后效应。
用软件实现带宽的变换，以折中带宽和分辨率的关系，并使带宽作为速度的函数；③抗环境噪声的能力更强。
⒌几种类型旋转变压器的比较
由于结构形式和原理的不同，在性能和抗恶劣环境条件能力上，各种类型的旋转变压器的特点不一样。
表1给出了上赢双电机有限公司所生产的旋转变压器的情况比较。
表1各种类型的旋转变压器性能、特点比较
类型
精度
工艺性
相位移
可靠性
结构
成本
有刷型
高
差
小
差
复杂
高
环变型
高
一般
比较大
好
一般
一般
磁阻型
低
好
大
最好
简单
低
表1指出，有刷旋转变压器可以得到最小的电气误差、最大的精度。
但是由于在结构上，存在着电的滑动接触，因此可靠性差；环形变压器型的旋变，也可达到高的精度，工艺性、结构情况、可靠性以及成本都比较好；磁阻式旋变的可靠性、工艺性、结构性以及成本都是最好的，但精度比其它两种低。
出于可靠性的考虑，目前有刷的旋转变压器，基本上不被采用，而是采用无刷的旋转变压器。
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