帶你深度了解旋轉(zhuǎn)變壓器
2022/5/13 1:03:09??????點(diǎn)擊：
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(jī)。它是一種將角位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的位移傳感器，也是能進(jìn)行坐標(biāo)換算和函數(shù)運(yùn)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(lì)磁電壓，轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過(guò)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(guó)內(nèi)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(zhuǎn)變壓器用于運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)中，作為角度位置的傳感和測(cè)量用。早期的旋轉(zhuǎn)變壓器用于計(jì)算解答裝置中，作為模擬計(jì)算機(jī)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(hào)，通常是正弦、余弦、線(xiàn)性等。這些函數(shù)是最常見(jiàn)的，也是容易實(shí)現(xiàn)的。在對(duì)繞組做專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)，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(chǎng)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(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)元件。三線(xiàn)的三相的自整角機(jī)，早于四線(xiàn)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(hào)傳輸?shù)男D(zhuǎn)變壓器，有時(shí)被稱(chēng)作四線(xiàn)自整角機(jī)。隨著電子技術(shù)和數(shù)字計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式計(jì)算機(jī)早已代替了模擬式計(jì)算機(jī)。所以實(shí)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(jī)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(lái)采用的是多極自整角機(jī)，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(hào)處理電路比較復(fù)雜，價(jià)格比較貴的原因，應(yīng)用受到了限制。但因?yàn)樾D(zhuǎn)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(jià)格大大下降；另外，信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)處理電路變得簡(jiǎn)單、可靠，價(jià)格也大大下降。而且，又出現(xiàn)了軟件解碼的信號(hào)處理，使得信號(hào)處理問(wèn)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(diǎn)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(gè)變壓器。關(guān)鍵參數(shù)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(cè)與二次側(cè)不是固定安裝的，而是有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。隨著兩者相對(duì)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(jì)的：輸出信號(hào)幅值隨位置變化而變化，但頻率不變。旋變?cè)趯?shí)際應(yīng)用中，設(shè)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(hào)。
利用兩臺(tái)相同的正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器可組成單通道測(cè)角系統(tǒng)。一臺(tái)旋轉(zhuǎn)變壓器為發(fā)送機(jī)，另一臺(tái)為控制變壓器。發(fā)送機(jī)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(cè)角系統(tǒng)。
用四臺(tái)結(jié)構(gòu)相同的旋轉(zhuǎn)變壓器，兩臺(tái)XZ1與XZ2組成粗通道測(cè)角系統(tǒng)，另外兩臺(tái)XZ3與XZ4組成精通道測(cè)角系統(tǒng)。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(dāng)主令軸帶動(dòng)粗通道的XZ1轉(zhuǎn)過(guò)θ1角時(shí)，精通道的XZ3將轉(zhuǎn)過(guò)iθ1角，XZ2與負(fù)載同軸，其轉(zhuǎn)角為θ2時(shí)，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(guò)粗精轉(zhuǎn)換器處理后再經(jīng)放大裝置驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
應(yīng)用雙通道測(cè)角系統(tǒng)可組成雙通道伺服系統(tǒng)，當(dāng)誤差角δ較小時(shí)用精通道信號(hào)控制，誤差角δ較大時(shí)用粗通道信號(hào)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(xiàn)性誤差，可采用電氣變速式雙通道測(cè)角系統(tǒng)，即采用多極旋轉(zhuǎn)變壓器。
它是在一個(gè)機(jī)體內(nèi)安裝單極和多極兩臺(tái)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。
旋轉(zhuǎn)變壓器的種類(lèi)
旋轉(zhuǎn)變壓器一般結(jié)構(gòu)類(lèi)似于繞線(xiàn)型電動(dòng)機(jī)，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(lèi)或名稱(chēng)。
按用途的差異可分為計(jì)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(xiàn)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(yùn)算或相關(guān)變換及信號(hào)傳輸系統(tǒng)中的相對(duì)位置關(guān)系及具體作用可分為旋變發(fā)送機(jī)、旋變差動(dòng)發(fā)送機(jī)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(wú)接觸式(有無(wú)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(wú)限轉(zhuǎn)角兩種類(lèi)型；按極對(duì)數(shù)差異又可分為單對(duì)極和多對(duì)極旋轉(zhuǎn)變壓器。
旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)
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有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器
它的轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)滑環(huán)和電刷直接引出，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，但因電刷與滑環(huán)是機(jī)械滑動(dòng)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(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器。。
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無(wú)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(xiàn)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(xiàn)圈連在一起，在附加變壓器原邊線(xiàn)圈中的電信號(hào)，即轉(zhuǎn)子繞組中的電信號(hào)，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(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(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種稱(chēng)作為環(huán)形變壓器式無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器，另一種稱(chēng)作為磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器。
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環(huán)形變壓器式旋轉(zhuǎn)變壓器
這種結(jié)構(gòu)很好地實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷、無(wú)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(hào)變換。左側(cè)是環(huán)形變壓器。它的一個(gè)繞組在定子上，一個(gè)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(hào)變換的轉(zhuǎn)子繞組相聯(lián)，它的電信號(hào)的輸入輸出 由環(huán)形變壓器完成。
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磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器
磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁繞組和輸出繞組放在同一套定子槽內(nèi)，固定不動(dòng)。但勵(lì)磁繞組和輸出繞組的形式不一樣。兩相繞組的輸出信號(hào)，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(hào)。
轉(zhuǎn)子磁極形狀作特殊設(shè)計(jì)，使得氣隙磁場(chǎng)近似于正弦形。轉(zhuǎn)子形狀的設(shè)計(jì)也必須滿(mǎn)足所要求的極數(shù)?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)子的形狀決定了極對(duì)數(shù)和氣隙磁場(chǎng)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(hù)，由用戶(hù)自己組裝配合。
旋轉(zhuǎn)變壓器的主要參數(shù)和性能指標(biāo)
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零位電壓
旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組中感應(yīng)電壓最小時(shí)，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(chēng)剩余電壓。
理想的旋轉(zhuǎn)變壓器的零位電壓等于零。實(shí)際則因?yàn)槔@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(duì)稱(chēng)、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(cè)量零位電壓是評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)變壓器的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
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相位移
相位移是指勵(lì)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(duì)于控制系統(tǒng)而言，相對(duì)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(hào)的上升、勵(lì)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(huì)變大。
在控制系統(tǒng)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(nèi)，是非常有必要的。
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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(shí)，磁場(chǎng)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(lì)磁條件下，最大空載輸出電壓的基波分量與勵(lì)磁電壓的基波分量之比。
旋轉(zhuǎn)變壓器的上述特點(diǎn)，給其變壓比測(cè)量帶來(lái)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(chēng)。
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開(kāi)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(chēng)的指標(biāo)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(zhuǎn)變壓器的開(kāi)路輸入阻抗一般在200Ω~10kΩ之間。
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線(xiàn)性誤差
線(xiàn)性誤差是指線(xiàn)性旋轉(zhuǎn)變壓器在工作角度范圍內(nèi)仍一轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子角度為θ時(shí)所測(cè)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(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(zhuǎn)子角度為60°時(shí)輸出電壓基波分量的理論值。
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電氣誤差
電氣誤差是指轉(zhuǎn)子實(shí)際電氣角度與通過(guò)輸出測(cè)量計(jì)算獲得的電氣角度的偏差。一般不超過(guò)12′。
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交軸誤差
原邊繞組輪流勵(lì)磁（剩下繞組短路），轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，分別測(cè)得轉(zhuǎn)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(shù)差，絕對(duì)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(hào)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(hào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入正弦載波信號(hào)的相位變換和幅值調(diào)制，最終由專(zhuān)用的信號(hào)處理電路或者某些具備一定功能接口的DSP和單片機(jī)，根據(jù)輸出信號(hào)的幅值和相位與正弦載波信號(hào)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(cè)，又可分為增量式和絕對(duì)式等類(lèi)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(jì)數(shù)；旋轉(zhuǎn)變壓器就不是脈沖計(jì)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(guò)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(wàn)轉(zhuǎn)，編碼器就沒(méi)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。
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