旋转变压器的工作原理是
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发布时间：2022-04-26 16:09
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时间：2023-10-13 16:26
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*。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，*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
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时间：2023-10-13 16:27
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。
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时间：2023-10-13 16:27
