旋转变压器详解.docx

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旋转变压器详解

旋转变压器（重点在于输入输出的关系）

  伺服传感器 按被测量分类：

位移传感器、速度传感器、加速度传感器、电流传感器。

位移传感器、速度传感器、加速度传感器各有直线和旋转角度的两种方式。

（1）旋转变压器概述

 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。

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。

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

  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表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。

（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。

  （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。

  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。

 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：

   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：

  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。

   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

由这两个电流建立的空间和成磁动势为

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：

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：

 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：

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，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。

6.具体应用 

   旋变是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。

当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。

按励磁方式分，多摩川旋转变压器分BRT和BRX两种，BRT是单相励磁两相输出；BRX是双相励磁单相输出。

用户往往选择BRT型的旋变，因为它易于解码。

   旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。

当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦或余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。

它主要用于坐标变换、三角运算和角度数据传输，也可以作为两相移相器用在角度－数字转换装置中。

按输出电压与转子转角间的函数关系，旋转变压器主要分为三大类：

　　1）正弦或余弦旋转变压器：

其输出电压与转子转角的函数关系成正弦或余弦函数关系。

　　2）线性旋转变压器：

其输出电压与转子转角成线性函数关系，线性旋转变压器按转子结构又分成隐极式和凸极式两种。

　　3）比例式旋转变压器：

其输出电压与转角成比例关系。

　　正弦或余弦旋转变压器是按照电磁感应原理而工作的元件，其定子和转子上都有绕组，彼此同心安排，互相耦合联系。

旋转变压器采用正交的转子两相绕组，一次和二次绕组都绕在定子上，转子上由两组相差90°绕组组成，采用无刷设计，如图1所示。

　　图1旋转变压器定转子组件图

　　在各定子绕组加上交流电压后，转子绕组中由于交链磁通的变化产生感应电压，感应电压和励磁电压之间相关联的耦合系数随转子的转角而改变。

因此，根据测得的输出电压，就可以知道转子转角的大小。

可以认为，旋转变压器是由随转角e而改变且耦合系数为Ksinθ或Kcosθ的两个变压器构成的。

　　可见，转子绕组输出电压幅值与励磁电压的幅值成正比，对励磁电压的相位移等于转子的转动角度θ，检测出相位θ，即可测出角位移。

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