旋转变压器的角度测量毕业论文

旋转变压器能够按正弦、余弦、线性等函数关系将转角转换为电信号输出，用于自动控制系统中作为运算信号元件，可买现三角函数运算、坐标变换、精确测位、角度的数字转换或数据传输、移相等。 旋转变压器的作用是通过输出电压和转子转动角度之间的关系来体现的，对旋转变压器的要求主要集中于信号变换性能方面，具体包括：感应电势与转角之间的变化关系尽口_能符合正弦规律；函数误差与零位误差小，精度高，零位输出电压(剩余电压)小；工作可靠性高，损耗小，效率较高。 旋转变压器一般结构类似于绕线型电动机，从不同的角度进行划分可得到不同的旋转变压器种类或名称。按用途的差异可分为计算用旋转变压器和数据传输用旋转变压器。按输出电压的转子转角之间的函数关系差异可分为止弦旋转变压器、线性旋转变压器和比例式旋转变压器等按旋转变压器在由其构造的转角运算或相关变换及信号传输系统中的相对位置关系及具体作用可分为旋变发送机、旋变差动发送机和旋变变压器等，这种分类与自整角机的对应分类相似。另外，也可按结构差异将旋转变压器分为接触式和无接触式(无滑环电刷结构)；按转子旋转角度限制义可分为有限转角和无限转角两种类型；按极对数差异又可分为单_对极和多对极旋转变压器.旋转变压器简称旋变，是由经过特殊电磁设计的高性能硅钢叠片和漆包线构成的，相比于采用光电技术的编码器而言，具有耐热，耐振。耐冲击，耐油污，甚至耐腐蚀等恶劣工作环境的适应能力，因而为武器系统等工况恶劣的应用广泛采用，一对极（单速）的旋变可以视作一种单圈绝对式反馈系统，应用也最为广泛，因而在此仅以单速旋变为讨论对象，多速旋变与伺服电机配套，个人认为其极对数最好采用电机极对数的约数，一便于电机度的对应和极对数分解。 旋变的信号引线一般为6根，分为3组，分别对应一个激励线圈，和2个正交的感应线圈，激励线圈接受输入的正弦型激励信号，感应线圈依据旋变转定子的相互角位置关系，感应出来具有SIN和COS包络的检测信号。旋变SIN和COS输出信号是根据转定子之间的角度对激励正弦信号的调制结果，如果激励信号是sinωt，转定子之间的角度为θ，则SIN信号为sinωt×sinθ，则COS信号为sinωt×cosθ，根据SIN，COS信号和原始的激励信号，通过必要的检测电路，就可以获得较高分辨率的位置检测结果，目前商用旋变系统的检测分辨率可以达到每圈2的12次方，即4096，而科学研究和航空航天系统甚至可以达到2的20次方以上，不过体积和成本也都非常可观。 商用旋变与伺服电机电角度相位的对齐方法如下： 1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出； 2.然后用示波器观察旋变的SIN线圈的信号引线输出； 3.依据操作的方便程度，调整电机轴上的旋变转子与电机轴的相对位置，或者旋变定子与电机外壳的相对位置； 4.一边调整，一边观察旋变SIN信号的包络，一直调整到信号包络的幅值完全归零，锁定旋变； 5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，信号包络的幅值过零点都能准确复现，则对齐有效 。 撤掉直流电源，进行对齐验证： 1.用示波器观察旋变的SIN信号和电机的UV线反电势波形； 2.转动电机轴，验证旋变的SIN信号包络过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。 这个验证方法，也可以用作对齐方法。 此时SIN信号包络的过零点与电机电角度相位的-30度点对齐。 如果想直接和电机电角度的0度点对齐，可以考虑： 1.用3个阻值相等的电阻接成星型，然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线； 2.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点，就可以近似得到电机的U相反电势波形； 3.依据操作的方便程度，调整编码器转轴与电机轴的相对位置，或者编码器外壳与电机外壳的相对位置； 4.一边调整，一边观察旋变的SIN信号包络的过零点和电机U相反电势波形由低到高的过零点，最终使这2个过零点重合，锁定编码器与电机的相对位置关系，完成对齐。 需要指出的是，在上述操作中需有效区分旋变的SIN包络信号中的正半周和负半周。由于SIN信号是以转定子之间的角度为θ的sinθ值对激励信号的调制结果，因而与sinθ的正半周对应的SIN信号包络中，被调制的激励信号与原始激励信号同相，而与sinθ的负半周对应的SIN信号包络中，被调制的激励信号与原始激励信号反相，据此可以区别和判断旋变输出的SIN包络信号波形中的正半周和负半周。对齐时，需要取sinθ由负半周向正半周过渡点对应的SIN包络信号的过零点，如果取反了，或者未加准确判断的话，对齐后的电角度有可能错位180度，从而造成速度外环进入正反馈。

旋转变压器工作原理摘要：本文介绍了虽然目前已逐渐被广泛应用，但仍未被人们所熟悉的，角度位置传感元件—旋转变压器。文章对旋转变压器的发展、结构、原理、参数与性能指标及其信号变换做了简单的介绍；最后对几种类型旋转变压器的各方面作了比较，以供选择、使用时参考。曲家骐：上海赢双电机有限公司旋转变压器介绍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“Вращающийся Трансформатор” ，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12 bit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12 bit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。 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3 a)、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：（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。 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 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： 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。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（Resolver Digital converter—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AD2S1210 10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RDC IC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。曲家骐研究员级高级工程师，国务院专家津贴享受者，原电子部有突出贡献专家称号获得者，中国电子技术学会会士，国际IEEE高级会员，中国电工技术学会高级会员。 教育情况: 毕业于哈尔滨工业大学，电机系, 1963工作简历:1963-1985: 上海微电机研究所（电子部第21研究所）。从事领域：信号电机及其信号处理电路的研究、开发，直流、交流和无刷直流电动机及其驱动控制的研究、开发。 1985-1989: 访问学者、美国俄亥俄州埃科隆大学电气工程系（Department of Electrical Engineering of University of Akron, Ohio State, U.S.）。研究领域：微机和计算机应用于运动控制。1989-2006 :中国电子科技集团公司第21研究所工作。从事领域：信号电机及其信号处理电路的研究、开发，直流、交流和无刷直流电动机及其驱动控制的研究、开发。2007-至今 ：上海赢双电机有限公司技术总监

定子绕组D1-D2接交流电源激磁，转子绕组Z1－Z2接负载ZL当主令轴带动转子转过θ角时,转子各绕组中产生的感应电压分别为 换算式 换算式式中k为一相定、转子绕组的有效匝数比（变比）。如用转子绕组激磁,定子绕组输出时表达式相同(仅仅k值不相同)。

选用不相同接线办法或不相同的绕组结构，可以获得与转角成不相同函数联络的输出电压。选用不相同的结构还可以制成弹道函数、圆函数、锯齿波函数等特种用途的旋转变压器。

旋转变压器是一种精密视点、方位、速度检查设备，适用于一切运用旋转变压器的场合，是高温、严寒、潮湿、高速、高轰动等旋转编码器无法正常作业的场合。因为旋转变压器以上特色，可彻底代替光电编码器，被广泛运用在伺服控制体系、机器人体系、机械东西、 汽车、电力、冶金、纺织、打印、航空航天、船只、武器、电子、冶金、矿山、油田、水利、化工、轻工、修建等范畴的视点、方位检查体系中。也可用于坐标改换、三角运算和视点数据传输、作为两相移相器用在视点--数字变换设备中。

旋转变压器是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、3000及5000HZ等。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。旋转变压器的本质是一个变压器。关键参数也与变压器类似，比如额定电压、额定频率、变压比。与变压器不同之处是，它的一次侧与二次侧不是固定安装的，而是有相对运动。随着两者相对角度的变化，在输出侧就可以得到幅值变化的波形。

用来检测电机的转速和位置的传感器，根据电磁式传感器的工作原理制成，产生正余弦信号，控制器解码后变成电机位置和转速，用来进一步控制电机。