一旋轉(zhuǎn)變壓器概述

　　旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器是目前伺服領(lǐng)域應(yīng)用最廣的測量元件，其用途類似光電編碼器，其原理和特性上的區(qū)別決定了其應(yīng)用場合和使用方法的不同。

　　光電編碼器直接輸出數(shù)字信號，處理電路簡單，噪聲容限大，容易提高分辨率，缺點(diǎn)是不耐沖擊，不耐高溫，易受輻射干擾，因此不宜用在軍事和太空領(lǐng)域。

　　旋轉(zhuǎn)變壓器具有耐沖擊、耐高溫、耐油污、高可靠、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是輸出為調(diào)制的模擬信號，輸出信號解算較復(fù)雜。

圖1. 旋轉(zhuǎn)變壓器

　　廣義上講，旋轉(zhuǎn)電機(jī)都屬于旋轉(zhuǎn)變壓器，本文稱的旋轉(zhuǎn)變壓器是特指用作角度或速度測量的信號電機(jī)。

　　旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電機(jī)，是一種測量用途的信號電機(jī)；

　　旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角度或速度傳感器；

　　作為自動控制系統(tǒng)中作為角度或轉(zhuǎn)速信號的監(jiān)測裝置，旋轉(zhuǎn)變壓器及自整角機(jī)、感應(yīng)移相器、感應(yīng)同步器、軸角編碼器、測速發(fā)電機(jī)等均屬于控制電機(jī)；

　　旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁感應(yīng)元件，與靜止變壓器不同之處在于其原邊繞組和副邊繞組的相對位置可變，是可旋轉(zhuǎn)的；其原邊和副邊的耦合程度因旋轉(zhuǎn)的角度不同而不同。

　　按照旋轉(zhuǎn)變壓器的副邊輸出和原邊輸入的關(guān)系，可以分為：正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、線性旋轉(zhuǎn)變壓器、比例式旋轉(zhuǎn)變壓器以及特殊函數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器等四類。

　　旋轉(zhuǎn)變壓器的英文為resolver，根據(jù)詞義，有人把它稱作為“解算器”或“分解器”。

　　《GB/T　2900.26-2008　電工術(shù)語 控制電機(jī)》中關(guān)于旋轉(zhuǎn)變壓器的相關(guān)定義如下：

1旋轉(zhuǎn)變壓器

　　旋轉(zhuǎn)變壓器（electrical resolver；resolver）是指以可變耦合原理工作的交流控制電機(jī)。它的副方（次級）輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈確定的函數(shù)關(guān)系。

2正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器

　　正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器（sine-cosine resolver）是指副方（次級）輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈正弦和余弦函數(shù)關(guān)系的旋轉(zhuǎn)變壓器。

3比例旋轉(zhuǎn)變壓器

　　比例旋轉(zhuǎn)變壓器（linear resolver）是指在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，副方（次級）輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈線性函數(shù)關(guān)系的旋轉(zhuǎn)變壓器。

4特種函數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器

　　特種函數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器（special function resolver）是指在一定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，副方（次級）輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈某種特定函數(shù)（除正余弦函數(shù)和線性函數(shù)外）關(guān)系的旋轉(zhuǎn)變壓器。

5單繞組線性旋轉(zhuǎn)變壓器

　　單繞組線性旋轉(zhuǎn)變壓器（induction potentiometer）是指原方（初級）和副方（次級）各僅有一套繞組的線性旋轉(zhuǎn)變壓器。

6旋變發(fā)送機(jī)

　　旋變發(fā)送機(jī)（resolver transmitter）是指將轉(zhuǎn)子角位移轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的四線電信號輸出的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。

7旋變差動發(fā)送機(jī)

　　旋變差動發(fā)送機(jī)（resolver differential transmitter）是指接收來自旋變發(fā)送機(jī)的電信號，輸出對應(yīng)于發(fā)送機(jī)與自身角位移之和（或差）的電信號的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。

8旋變變壓器

　　旋變變壓器（resolver transmitter）是指接收來自旋變發(fā)送機(jī)（或差動發(fā)送機(jī)）的電信號，輸出一個(gè)對應(yīng)于發(fā)送機(jī)（或差動發(fā)送機(jī)）角位移與自身角位移之和（或差）的電信號的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。

9無刷旋轉(zhuǎn)變壓器

　　無刷旋轉(zhuǎn)變壓器（brushless resolver）是指沒有電刷和滑環(huán)結(jié)構(gòu)且允許連續(xù)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)變壓器。

10多極旋轉(zhuǎn)變壓器

　　多極旋轉(zhuǎn)變壓器（multipolar resolver）是指極對數(shù)大于1的旋轉(zhuǎn)變壓器。

11雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器

　　雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器（dual-speed resolver）是指單對極和多對極旋轉(zhuǎn)變壓器的組合。

12磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器

　　磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器（variable reluctance resolver）是指按定轉(zhuǎn)子之間可變磁阻效應(yīng)原理工作的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。

二旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)

　　作為信號電機(jī)，旋轉(zhuǎn)變壓器與電機(jī)類似，主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子和轉(zhuǎn)子鐵心由導(dǎo)磁性能良好材料制作而成，定子鐵心內(nèi)層和轉(zhuǎn)子鐵心外層上布有齒槽。

圖2. 旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)圖

　　在定子槽中分別布置有兩個(gè)空間互成90°的結(jié)構(gòu)完全相同的繞組，一個(gè)是定子激磁繞組，一個(gè)為定子交軸繞組。

　　在轉(zhuǎn)子槽中分別布置有兩個(gè)空間互成90°的結(jié)構(gòu)完全相同的繞組，一個(gè)正弦輸出繞組，一個(gè)余弦輸出繞組。

　　定、轉(zhuǎn)子間的氣隙是均勻的，氣隙磁場一般為兩極。定子繞組引出線可直接引出或接到固定的接線板上，而轉(zhuǎn)子繞組引出線則通過滑環(huán)和電刷引出。

　　對于線性旋轉(zhuǎn)變壓器，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角有限（往復(fù)運(yùn)動，不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)），可以用軟導(dǎo)線直接將轉(zhuǎn)子繞組線端引出。

三旋轉(zhuǎn)變壓器電氣原理圖

　　下圖為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的電氣原理圖：

圖3. 旋轉(zhuǎn)變壓器電氣原理圖

　　圖中，S1S3為原邊勵(lì)磁繞組，S2S4為原邊交軸補(bǔ)償繞組。R1R3為副邊正弦繞組，R2R4為副邊余弦繞組。

四旋轉(zhuǎn)變壓器電壓矢量圖

　　下圖為不含補(bǔ)償繞組的定子勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)變壓器的電壓矢量圖：

圖4. 旋轉(zhuǎn)變壓器電壓矢量圖

五旋轉(zhuǎn)變壓器電壓方程式

　　定子勵(lì)磁，不帶補(bǔ)償繞組的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器在任意電氣角度下輸出電壓滿足下述方程式：

　　U_R1R3=KU_S1S3cosθ+ KU_S2S4sinθ

　　U_R2R4=KU_S2S4cosθ- KU_S1S3sinθ

　　式中：

　　U_R1R3為轉(zhuǎn)子繞組R1R3之間的電壓；

　　U_R2R4為轉(zhuǎn)子繞組R2R4之間的電壓；

　　U_S1S3為定子繞組S1S3之間的電壓；

　　U_S2S4為定子繞組S2S4之間的電壓；

　　θ為旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子相對定子的電氣角；

　　K為旋轉(zhuǎn)變壓器變比。

　　當(dāng)原邊定子交軸繞組短路時(shí)，電壓方程式變?yōu)椋?/p>

　　U_R1R3=KU_S1S3cosθ

　　U_R2R4= - KU_S1S3sinθ

　　對旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁繞組、正弦繞組和余弦繞組的輸出信號進(jìn)行測量和分析，可以計(jì)算出旋轉(zhuǎn)變壓器的電氣角和旋轉(zhuǎn)速度。

六旋轉(zhuǎn)變壓器主要技術(shù)指標(biāo)

1零位電壓

　　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。零位電壓也稱剩余電壓（Null voltage）。

　　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(jià)旋轉(zhuǎn)變壓器的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

　　旋轉(zhuǎn)變壓器零位電壓的真有效值及基波有效值需符合產(chǎn)品專用技術(shù)條件的規(guī)定。

2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(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。

3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。

4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(gè)，一個(gè)是變壓比，另一個(gè)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。

5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(shí)的實(shí)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(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(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。

6函數(shù)誤差

　　正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器在任一轉(zhuǎn)子位置時(shí)函數(shù)誤差的表達(dá)式為：

　　式中：

　　δs——函數(shù)誤差；

　　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；

　　U——在轉(zhuǎn)子角度為90°時(shí)輸出電壓基波分量。

7電氣誤差

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

8交軸誤差

　　原邊繞組輪流勵(lì)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(shí)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。

七旋轉(zhuǎn)變壓器綜合測試儀

　　正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器輸出為調(diào)幅波，包含了轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速信號，銀河電氣在充分研究正余弦變壓器輸入輸出關(guān)系的基礎(chǔ)上，研制了DH2000/RE1正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器綜合測試儀。測試儀如下圖4所示。

圖4：正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器綜合測試儀

　　● 全新測試手段，告別紛繁復(fù)雜的傳統(tǒng)儀器；

　　● 現(xiàn)代測試技術(shù)，全面提高測試精度；

　　● 全面解碼旋變，狀態(tài)及性能參數(shù)一目了然；

　　一臺DH2000/RE1正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器綜合測試儀即可高效率實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有試驗(yàn)，并可自動出具試驗(yàn)報(bào)告和合格判定。(測試儀內(nèi)置高精度勵(lì)磁電源，用戶無需另外選購)

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