帶你深度了解旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角保持一定函數(shù)關(guān)系的感應(yīng)式微電機。它是一種將角位移轉(zhuǎn)換為電信號的位移傳感器，也是能進(jìn)行坐標(biāo)換算和函數(shù)運算的解算元件。

它由定子和轉(zhuǎn)子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓，轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓。

旋轉(zhuǎn)變壓器的歷史及發(fā)展

旋轉(zhuǎn)變壓器是目前國內(nèi)的專業(yè)名稱，簡稱“旋變” 。有人把它稱作為“解算器”或“分解器”。

旋轉(zhuǎn)變壓器用于運動伺服控制系統(tǒng)中，作為角度位置的傳感和測量用。早期的旋轉(zhuǎn)變壓器用于計算解答裝置中，作為模擬計算機中的主要組成部分之一。

其輸出，是隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角作某種函數(shù)變化的電氣信號，通常是正弦、余弦、線性等。這些函數(shù)是最常見的，也是容易實現(xiàn)的。在對繞組做專門設(shè)計時，也可產(chǎn)生某些特殊函數(shù)的電氣輸出。但這樣的函數(shù)只用于特殊的場合，不是通用的。

60年代起，旋轉(zhuǎn)變壓器逐漸用于伺服系統(tǒng)，作為角度信號的產(chǎn)生和檢測元件。三線的三相的自整角機，早于四線的兩相旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用于系統(tǒng)中。

所以作為角度信號傳輸?shù)男D(zhuǎn)變壓器，有時被稱作四線自整角機。隨著電子技術(shù)和數(shù)字計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式計算機早已代替了模擬式計算機。所以實際上，旋轉(zhuǎn)變壓器目前主要是用于角度位置伺服控制系統(tǒng)中。

由于兩相的旋轉(zhuǎn)變壓器比自整角機更容易提高精度，所以旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用的更廣泛。特別是，在高精度的雙通道、雙速系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用的多極電氣元件，原來采用的是多極自整角機，現(xiàn)在基本上都是采用多極旋轉(zhuǎn)變壓器。

早期的旋轉(zhuǎn)變壓器，由于信號處理電路比較復(fù)雜，價格比較貴的原因，應(yīng)用受到了限制。但因為旋轉(zhuǎn)變壓器具有無可比擬的可靠性，以及具有足夠高的精度，在許多場合有著不可代替的地位，特別是在軍事以及航天、航空、航海等方面。

隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件集成化程度的提高，元器件的價格大大下降；另外，信號處理技術(shù)的進(jìn)步，旋轉(zhuǎn)變壓器的信號處理電路變得簡單、可靠，價格也大大下降。而且，又出現(xiàn)了軟件解碼的信號處理，使得信號處理問題變得更加靈活、方便。這樣，旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用得到了更大的發(fā)展，其優(yōu)點得到了更大的體現(xiàn)。

旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器的本質(zhì)是一個變壓器。關(guān)鍵參數(shù)也與變壓器類似，比如額定電壓、額定頻率、變壓比。

與變壓器不同之處是，它的一次側(cè)與二次側(cè)不是固定安裝的，而是有相對運動。隨著兩者相對角度的變化，在輸出側(cè)就可以得到幅值變化的波形。

旋變就是基于以上原理設(shè)計的：輸出信號幅值隨位置變化而變化，但頻率不變。旋變在實際應(yīng)用中，設(shè)置了兩組輸出線圈，兩者相位差90度，從而可以輸出幅值為SIN與COS變化的兩組信號。

利用兩臺相同的正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器可組成單通道測角系統(tǒng)。一臺旋轉(zhuǎn)變壓器為發(fā)送機，另一臺為控制變壓器。發(fā)送機由交流電源激磁。旋轉(zhuǎn)變壓器的精度為6′，單通道系統(tǒng)的精度不小于6′。為了提高系統(tǒng)的控制精度，可采用雙通道測角系統(tǒng)。

用四臺結(jié)構(gòu)相同的旋轉(zhuǎn)變壓器，兩臺XZ1與XZ2組成粗通道測角系統(tǒng)，另外兩臺XZ3與XZ4組成精通道測角系統(tǒng)。XZ1與XZ3、XZ2與XZ4分別通過升速比為i（i=15~30）的升速器相連接。

當(dāng)主令軸帶動粗通道的XZ1轉(zhuǎn)過θ1角時，精通道的XZ3將轉(zhuǎn)過iθ1角，XZ2與負(fù)載同軸，其轉(zhuǎn)角為θ2時，XZ4的轉(zhuǎn)角為iθ2.粗通道的輸出電壓Uc1=kUr sinδ，精通道XZ4的輸出電壓為Uc2=kUrsiniδ，式中δ=θ1-θ2.二者的輸出電壓經(jīng)過粗精轉(zhuǎn)換器處理后再經(jīng)放大裝置驅(qū)動負(fù)載。

應(yīng)用雙通道測角系統(tǒng)可組成雙通道伺服系統(tǒng)，當(dāng)誤差角δ較小時用精通道信號控制，誤差角δ較大時用粗通道信號控制。

因此系統(tǒng)的控制精度最高可達(dá)3″~7″。為了減少減速器齒輪間隙造成的非線性誤差，可采用電氣變速式雙通道測角系統(tǒng)，即采用多極旋轉(zhuǎn)變壓器。

它是在一個機體內(nèi)安裝單極和多極兩臺旋轉(zhuǎn)變壓器，而共用一根軸。用單極變壓器組成粗通道系統(tǒng)，多極旋轉(zhuǎn)變壓器組成精通道系統(tǒng)。這樣既能提高精度又能簡化結(jié)構(gòu)。

旋轉(zhuǎn)變壓器的種類

旋轉(zhuǎn)變壓器一般結(jié)構(gòu)類似于繞線型電動機，從不同的角度進(jìn)行劃分可得到不同的旋轉(zhuǎn)變壓器種類或名稱。

按用途的差異可分為計算用旋轉(zhuǎn)變壓器和數(shù)據(jù)傳輸用旋轉(zhuǎn)變壓器；按輸出電壓的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系差異可分為止弦旋轉(zhuǎn)變壓器、線性旋轉(zhuǎn)變壓器和比例式旋轉(zhuǎn)變壓器等；按旋轉(zhuǎn)變壓器在由其構(gòu)造的轉(zhuǎn)角運算或相關(guān)變換及信號傳輸系統(tǒng)中的相對位置關(guān)系及具體作用可分為旋變發(fā)送機、旋變差動發(fā)送機和旋變變壓器等。

另外，也可按結(jié)構(gòu)差異將旋轉(zhuǎn)變壓器分為接觸式和無接觸式(有無滑環(huán)電刷結(jié)構(gòu))；按轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度限制義可分為有限轉(zhuǎn)角和無限轉(zhuǎn)角兩種類型；按極對數(shù)差異又可分為單對極和多對極旋轉(zhuǎn)變壓器。

旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)

• 有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器

它的轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和電刷直接引出，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，體積小，但因電刷與滑環(huán)是機械滑動接觸的，所以旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性差，壽命也較短，目前這種結(jié)構(gòu)形式的旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用的很少，我們著重于介紹無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。。

• 無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器

它分為兩大部分，即旋轉(zhuǎn)變壓器本體和附加變壓器。附加變壓器的原、副邊鐵心及其線圈均成環(huán)形，分別固定于轉(zhuǎn)子軸和殼體上，徑向留有一定的間隙。

旋轉(zhuǎn)變壓器本體的轉(zhuǎn)子繞組與附加變壓器原邊線圈連在一起，在附加變壓器原邊線圈中的電信號，即轉(zhuǎn)子繞組中的電信號，通過電磁耦合，經(jīng)附加變壓器副邊線圈間接地送出去。

這種結(jié)構(gòu)避免了電刷與滑環(huán)之間的不良接觸造成的影響，提高了旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性及使用壽命，但其體積、質(zhì)量、成本均有所增加。

目前無刷旋轉(zhuǎn)變壓器有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種稱作為環(huán)形變壓器式無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，另一種稱作為磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器。

• 環(huán)形變壓器式旋轉(zhuǎn)變壓器

這種結(jié)構(gòu)很好地實現(xiàn)了無刷、無接觸。圖中右側(cè)部分是典型的旋轉(zhuǎn)變壓器的定、轉(zhuǎn)子，在結(jié)構(gòu)上和有刷旋轉(zhuǎn)變壓器一樣的定、轉(zhuǎn)子繞組，作信號變換。左側(cè)是環(huán)形變壓器。它的一個繞組在定子上，一個在轉(zhuǎn)子上，同心放置。

轉(zhuǎn)子上的環(huán)形變壓器繞組和作信號變換的轉(zhuǎn)子繞組相聯(lián)，它的電信號的輸入輸出 由環(huán)形變壓器完成。

• 磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器

磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁繞組和輸出繞組放在同一套定子槽內(nèi)，固定不動。但勵磁繞組和輸出繞組的形式不一樣。兩相繞組的輸出信號，仍然應(yīng)該是隨轉(zhuǎn)角作正弦變化、彼此相差90°電角度的電信號。

轉(zhuǎn)子磁極形狀作特殊設(shè)計，使得氣隙磁場近似于正弦形。轉(zhuǎn)子形狀的設(shè)計也必須滿足所要求的極數(shù)?？梢钥闯觯D(zhuǎn)子的形狀決定了極對數(shù)和氣隙磁場的形狀。

磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器一般都做成分裝式，不組合在一起，以分裝形式提供給用戶，由用戶自己組裝配合。

旋轉(zhuǎn)變壓器的主要參數(shù)和性能指標(biāo)

• 零位電壓

旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組中感應(yīng)電壓最小時，轉(zhuǎn)子位置就是電氣零位，輸出電壓就是零位電壓。零位電壓也稱剩余電壓。

理想的旋轉(zhuǎn)變壓器的零位電壓等于零。實際則因為繞組分布誤差、交軸不是嚴(yán)格正交、導(dǎo)磁材料磁導(dǎo)率不均勻、磁路不對稱、干擾等因數(shù)的存在，旋轉(zhuǎn)變壓器零位電壓一般不為零，零位電壓通常應(yīng)小于最大輸出電壓的0.1%，而其基波電壓通常有較大的占比，準(zhǔn)確測量零位電壓是評價旋轉(zhuǎn)變壓器的一個重要環(huán)節(jié)。

• 相位移

相位移是指勵磁電壓與輸出電壓的基波分量之間的相位差。旋轉(zhuǎn)變壓器相位移通常超前，對于控制系統(tǒng)而言，相對固定的相位移是可以接受的，但是，較大的、并且不穩(wěn)定的相位移則是不允許的。

一般而言，隨著基座號的上升、勵磁頻率的上升，相位移隨之減小。隨著溫度的上升，繞組電阻變大，相位移也會變大。

在控制系統(tǒng)中，許多時候，把相位移或相位移的變化控制在一定的范圍內(nèi)，是非常有必要的。

• 變壓比

旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比與靜止變壓器的變比含義相同，但是，旋轉(zhuǎn)變壓器在不同轉(zhuǎn)角時，磁場耦合程度不同，輸出電壓不同。因此，旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比是指在規(guī)定勵磁條件下，最大空載輸出電壓的基波分量與勵磁電壓的基波分量之比。

旋轉(zhuǎn)變壓器的上述特點，給其變壓比測量帶來了一定的困難。

變壓比是旋轉(zhuǎn)變壓器的基本技術(shù)指標(biāo)，一般在銘牌中標(biāo)稱。

• 開路輸入阻抗

旋轉(zhuǎn)變壓器的技術(shù)指標(biāo)中，在銘牌上標(biāo)稱的指標(biāo)一般只有兩個，一個是變壓比，另一個就是開路輸入阻抗。

旋轉(zhuǎn)變壓器的開路輸入阻抗一般在200Ω~10kΩ之間。

• 線性誤差

線性誤差是指線性旋轉(zhuǎn)變壓器在工作角度范圍內(nèi)仍一轉(zhuǎn)子位置時的實際輸出電壓與理論輸出電壓的偏差。

式中：

δ1——線性誤差；

Uθ’——在轉(zhuǎn)子角度為θ時所測得的輸出電壓基波同相（與最大輸出電壓同相）分量；

Uθ——在轉(zhuǎn)子角度為θ時輸出電壓基波同相（與最大輸出電壓同相）分量的理論值；

U60——在轉(zhuǎn)子角度為60°時輸出電壓基波分量的理論值。

• 電氣誤差

電氣誤差是指轉(zhuǎn)子實際電氣角度與通過輸出測量計算獲得的電氣角度的偏差。一般不超過12′。

• 交軸誤差

原邊繞組輪流勵磁（剩下繞組短路），轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，分別測得轉(zhuǎn)子理論角度為0°、90°、180°、270°時的電氣誤差，按要求取這些電氣誤差的代數(shù)差，絕對值最大的差值為交軸誤差。

旋轉(zhuǎn)變壓器與編碼器的區(qū)別

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。是采用電磁感應(yīng)原理工作，隨著旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子和定子角位置不同，輸出信號可以實現(xiàn)對輸入正弦載波信號的相位變換和幅值調(diào)制，最終由專用的信號處理電路或者某些具備一定功能接口的DSP和單片機，根據(jù)輸出信號的幅值和相位與正弦載波信號的關(guān)系，解析出轉(zhuǎn)子和定子間的角位置關(guān)系。

典型的旋轉(zhuǎn)編碼器采用光柵原理，用光電方法進(jìn)行角位置檢測，又可分為增量式和絕對式等類型。

旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器的主要區(qū)別如下：

1、編碼器更精確采用的是脈沖計數(shù)；旋轉(zhuǎn)變壓器就不是脈沖計數(shù)， 而是模擬量反饋。

2、編碼器多是方波輸出的，旋轉(zhuǎn)變壓器是正余弦的，通過芯片解算出相位差。

3、旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)速比較高，可以達(dá)到上萬轉(zhuǎn)，編碼器就沒那么高了。

4、旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用環(huán)境溫度是-55℃到+155℃，編碼器是-10℃到+70℃。

5、旋轉(zhuǎn)變壓器一般是增量的。

兩者根本區(qū)別在于：數(shù)字信號和模擬正弦或余弦信號的的區(qū)別。