帶你深度了解旋轉變壓器

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

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

旋轉變壓器的歷史及發(fā)展

旋轉變壓器是目前國內的專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)“旋變” 。有人把它稱(chēng)作為“解算器”或“分解器”。

旋轉變壓器用于運動(dòng)伺服控制系統中，作為角度位置的傳感和測量用。早期的旋轉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，是隨轉子轉角作某種函數變化的電氣信號，通常是正弦、余弦、線(xiàn)性等。這些函數是最常見(jiàn)的，也是容易實(shí)現的。在對繞組做專(zhuān)門(mén)設計時(shí)，也可產(chǎn)生某些特殊函數的電氣輸出。但這樣的函數只用于特殊的場(chǎng)合，不是通用的。

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

所以作為角度信號傳輸的旋轉變壓器，有時(shí)被稱(chēng)作四線(xiàn)自整角機。隨著(zhù)電子技術(shù)和數字計算技術(shù)的發(fā)展，數字式計算機早已代替了模擬式計算機。所以實(shí)際上，旋轉變壓器目前主要是用于角度位置伺服控制系統中。

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

早期的旋轉變壓器，由于信號處理電路比較復雜，價(jià)格比較貴的原因，應用受到了限制。但因為旋轉變壓器具有無(wú)可比擬的可靠性，以及具有足夠高的精度，在許多場(chǎng)合有著(zhù)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(zhù)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(jià)格大大下降；另外，信號處理技術(shù)的進(jìn)步，旋轉變壓器的信號處理電路變得簡(jiǎn)單、可靠，價(jià)格也大大下降。而且，又出現了軟件解碼的信號處理，使得信號處理問(wèn)題變得更加靈活、方便。這樣，旋轉變壓器的應用得到了更大的發(fā)展，其優(yōu)點(diǎn)得到了更大的體現。

旋轉變壓器的工作原理

旋轉變壓器的本質(zhì)是一個(gè)變壓器。關(guān)鍵參數也與變壓器類(lèi)似，比如額定電壓、額定頻率、變壓比。

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

旋變就是基于以上原理設計的：輸出信號幅值隨位置變化而變化，但頻率不變。旋變在實(shí)際應用中，設置了兩組輸出線(xiàn)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、余弦旋轉變壓器可組成單通道測角系統。一臺旋轉變壓器為發(fā)送機，另一臺為控制變壓器。發(fā)送機由交流電源激磁。旋轉變壓器的精度為6′，單通道系統的精度不小于6′。為了提高系統的控制精度，可采用雙通道測角系統。

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

當主令軸帶動(dòng)粗通道的XZ1轉過(guò)θ1角時(shí)，精通道的XZ3將轉過(guò)iθ1角，XZ2與負載同軸，其轉角為θ2時(shí)，XZ4的轉角為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(guò)粗精轉換器處理后再經(jīng)放大裝置驅動(dòng)負載。

應用雙通道測角系統可組成雙通道伺服系統，當誤差角δ較小時(shí)用精通道信號控制，誤差角δ較大時(shí)用粗通道信號控制。

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

它是在一個(gè)機體內安裝單極和多極兩臺旋轉變壓器，而共用一根軸。用單極變壓器組成粗通道系統，多極旋轉變壓器組成精通道系統。這樣既能提高精度又能簡(jiǎn)化結構。

旋轉變壓器的種類(lèi)

旋轉變壓器一般結構類(lèi)似于繞線(xiàn)型電動(dòng)機，從不同的角度進(jìn)行劃分可得到不同的旋轉變壓器種類(lèi)或名稱(chēng)。

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

另外，也可按結構差異將旋轉變壓器分為接觸式和無(wú)接觸式(有無(wú)滑環(huán)電刷結構)；按轉子旋轉角度限制義可分為有限轉角和無(wú)限轉角兩種類(lèi)型；按極對數差異又可分為單對極和多對極旋轉變壓器。

旋轉變壓器的結構

• 有刷式旋轉變壓器

它的轉子繞組通過(guò)滑環(huán)和電刷直接引出，其特點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，體積小，但因電刷與滑環(huán)是機械滑動(dòng)接觸的，所以旋轉變壓器的可靠性差，壽命也較短，目前這種結構形式的旋轉變壓器應用的很少，我們著(zhù)重于介紹無(wú)刷旋轉變壓器。。

• 無(wú)刷式旋轉變壓器

它分為兩大部分，即旋轉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(xiàn)圈均成環(huán)形，分別固定于轉子軸和殼體上，徑向留有一定的間隙。

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

這種結構避免了電刷與滑環(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(wú)刷旋轉變壓器有兩種結構形式。一種稱(chēng)作為環(huán)形變壓器式無(wú)刷旋轉變壓器，另一種稱(chēng)作為磁阻式旋轉變壓器。

• 環(huán)形變壓器式旋轉變壓器

這種結構很好地實(shí)現了無(wú)刷、無(wú)接觸。圖中右側部分是典型的旋轉變壓器的定、轉子，在結構上和有刷旋轉變壓器一樣的定、轉子繞組，作信號變換。左側是環(huán)形變壓器。它的一個(gè)繞組在定子上，一個(gè)在轉子上，同心放置。

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

• 磁阻式旋轉變壓器

磁阻式旋轉變壓器的勵磁繞組和輸出繞組放在同一套定子槽內，固定不動(dòng)。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，仍然應該是隨轉角作正弦變化、彼此相差90°電角度的電信號。

轉子磁極形狀作特殊設計，使得氣隙磁場(chǎng)近似于正弦形。轉子形狀的設計也必須滿(mǎn)足所要求的極數?？梢钥闯?，轉子的形狀決定了極對數和氣隙磁場(chǎng)的形狀。

磁阻式旋轉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(hù)，由用戶(hù)自己組裝配合。

旋轉變壓器的主要參數和性能指標

• 零位電壓

旋轉變壓器的輸出繞組中感應電壓最小時(shí)，轉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(chēng)剩余電壓。

理想的旋轉變壓器的零位電壓等于零。實(shí)際則因為繞組分布誤差、交軸不是嚴格正交、導磁材料磁導率不均勻、磁路不對稱(chēng)、干擾等因數的存在，旋轉變壓器零位電壓一般不為零，零位電壓通常應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，準確測量零位電壓是評價(jià)旋轉變壓器的一個(gè)重要環(huán)節。

• 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。旋轉變壓器相位移通常超前，對于控制系統而言，相對固定的相位移是可以接受的，但是，較大的、并且不穩定的相位移則是不允許的。

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

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

• 變壓比

旋轉變壓器的變壓比與靜止變壓器的變比含義相同，但是，旋轉變壓器在不同轉角時(shí)，磁場(chǎng)耦合程度不同，輸出電壓不同。因此，旋轉變壓器的變壓比是指在規定勵磁條件下，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。

旋轉變壓器的上述特點(diǎn)，給其變壓比測量帶來(lái)了一定的困難。

變壓比是旋轉變壓器的基本技術(shù)指標，一般在銘牌中標稱(chēng)。

• 開(kāi)路輸入阻抗

旋轉變壓器的技術(shù)指標中，在銘牌上標稱(chēng)的指標一般只有兩個(gè)，一個(gè)是變壓比，另一個(gè)就是開(kāi)路輸入阻抗。

旋轉變壓器的開(kāi)路輸入阻抗一般在200Ω~10kΩ之間。

• 線(xiàn)性誤差

線(xiàn)性誤差是指線(xiàn)性旋轉變壓器在工作角度范圍內仍一轉子位置時(shí)的實(shí)際輸出電壓與理論輸出電壓的偏差。

式中：

δ1——線(xiàn)性誤差；

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

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

U60——在轉子角度為60°時(shí)輸出電壓基波分量的理論值。

• 電氣誤差

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

• 交軸誤差

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

旋轉變壓器與編碼器的區別

旋轉變壓器是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件。是采用電磁感應原理工作，隨著(zhù)旋轉變壓器的轉子和定子角位置不同，輸出信號可以實(shí)現對輸入正弦載波信號的相位變換和幅值調制，最終由專(zhuān)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，解析出轉子和定子間的角位置關(guān)系。

典型的旋轉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(lèi)型。

旋轉變壓器和編碼器的主要區別如下：

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

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

3、旋轉變壓器的轉速比較高，可以達到上萬(wàn)轉，編碼器就沒(méi)那么高了。

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

5、旋轉變壓器一般是增量的。

兩者根本區別在于：數字信號和模擬正弦或余弦信號的的區別。