一旋轉變壓器概述

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

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

　　旋轉變壓器具有耐沖擊、耐高溫、耐油污、高可靠、長壽命等優點，其缺點是輸出為調制的模擬信號，輸出信號解算較復雜。

圖1. 旋轉變壓器

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

　　旋轉變壓器是一種電機，是一種測量用途的信號電機；

　　旋轉變壓器是一種角度或速度傳感器；

　　作為自動控制系統中作為角度或轉速信號的監測裝置，旋轉變壓器及自整角機、感應移相器、感應同步器、軸角編碼器、測速發電機等均屬于控制電機；

　　旋轉變壓器是一種電磁感應元件，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，是可旋轉的；其原邊和副邊的耦合程度因旋轉的角度不同而不同。

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

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

　　《GB/T　2900.26-2008　電工術語 控制電機》中關于旋轉變壓器的相關定義如下：

1旋轉變壓器

　　旋轉變壓器（electrical resolver；resolver）是指以可變耦合原理工作的交流控制電機。它的副方（次級）輸出電壓與轉子轉角呈確定的函數關系。

2正余弦旋轉變壓器

　　正余弦旋轉變壓器（sine-cosine resolver）是指副方（次級）輸出電壓與轉子轉角呈正弦和余弦函數關系的旋轉變壓器。

3比例旋轉變壓器

　　比例旋轉變壓器（linear resolver）是指在一定轉角范圍內，副方（次級）輸出電壓與轉子轉角呈線性函數關系的旋轉變壓器。

4特種函數旋轉變壓器

　　特種函數旋轉變壓器（special function resolver）是指在一定的轉角范圍內，副方（次級）輸出電壓與轉子轉角呈某種特定函數（除正余弦函數和線性函數外）關系的旋轉變壓器。

5單繞組線性旋轉變壓器

　　單繞組線性旋轉變壓器（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變壓器。

6旋變發送機

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

7旋變差動發送機

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

8旋變變壓器

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

9無刷旋轉變壓器

　　無刷旋轉變壓器（brushless resolver）是指沒有電刷和滑環結構且允許連續旋轉的旋轉變壓器。

10多極旋轉變壓器

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

11雙通道旋轉變壓器

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

12磁阻式旋轉變壓器

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

二旋轉變壓器結構

　　作為信號電機，旋轉變壓器與電機類似，主要由定子和轉子構成。定子和轉子鐵心由導磁性能良好材料制作而成，定子鐵心內層和轉子鐵心外層上布有齒槽。

圖2. 旋轉變壓器結構圖

　　在定子槽中分別布置有兩個空間互成90°的結構完全相同的繞組，一個是定子激磁繞組，一個為定子交軸繞組。

　　在轉子槽中分別布置有兩個空間互成90°的結構完全相同的繞組，一個正弦輸出繞組，一個余弦輸出繞組。

　　定、轉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，而轉子繞組引出線則通過滑環和電刷引出。

　　對于線性旋轉變壓器，由于轉子轉角有限（往復運動，不是連續旋轉），可以用軟導線直接將轉子繞組線端引出。

三旋轉變壓器電氣原理圖

　　下圖為正余弦旋轉變壓器的電氣原理圖：

圖3. 旋轉變壓器電氣原理圖

　　圖中，S1S3為原邊勵磁繞組，S2S4為原邊交軸補償繞組。R1R3為副邊正弦繞組，R2R4為副邊余弦繞組。

四旋轉變壓器電壓矢量圖

　　下圖為不含補償繞組的定子勵磁旋轉變壓器的電壓矢量圖：

圖4. 旋轉變壓器電壓矢量圖

五旋轉變壓器電壓方程式

　　定子勵磁，不帶補償繞組的正余弦旋轉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為轉子繞組R1R3之間的電壓；

　　U_R2R4為轉子繞組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為旋轉變壓器轉子相對定子的電氣角；

　　K為旋轉變壓器變比。

　　當原邊定子交軸繞組短路時，電壓方程式變為：

　　U_R1R3=KU_S1S3cosθ

　　U_R2R4= - KU_S1S3sinθ

　　對旋轉變壓器的勵磁繞組、正弦繞組和余弦繞組的輸出信號進行測量和分析，可以計算出旋轉變壓器的電氣角和旋轉速度。

六旋轉變壓器主要技術指標

1零位電壓

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

　　理想的旋轉變壓器的零位電壓等于零。實際則因為繞組分布誤差、交軸不是嚴格正交、導磁材料磁導率不均勻、磁路不對稱、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旋轉變壓器的一個重要環節。

　　旋轉變壓器零位電壓的真有效值及基波有效值需符合產品專用技術條件的規定。

2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，是非常有必要的。

3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，磁場耦合程度不同，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，給其變壓比測量帶來了一定的困難。

　　變壓比是旋轉變壓器的基本技術指標，一般在銘牌中標稱。

4開路輸入阻抗

　　旋轉變壓器的技術指標中，在銘牌上標稱的指標一般只有兩個，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變壓器在工作角度范圍內仍一轉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——在轉子角度為60°時輸出電壓基波分量的理論值。

6函數誤差

　　正余弦旋轉變壓器在任一轉子位置時函數誤差的表達式為：

　　式中：

　　δs——函數誤差；

　　Uθ——在轉子角度為θ時輸出電壓基波同相（與最大輸出電壓同相）分量；

　　U——在轉子角度為90°時輸出電壓基波分量。

7電氣誤差

　　電氣誤差是指轉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′。

8交軸誤差

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

七旋轉變壓器綜合測試儀

　　正余弦旋轉變壓器輸出為調幅波，包含了轉角及轉速信號，銀河電氣在充分研究正余弦變壓器輸入輸出關系的基礎上，研制了DH2000/RE1正余弦旋轉變壓器綜合測試儀。測試儀如下圖4所示。

圖4：正余弦旋轉變壓器綜合測試儀

　　● 全新測試手段，告別紛繁復雜的傳統儀器；

　　● 現代測試技術，全面提高測試精度；

　　● 全面解碼旋變，狀態及性能參數一目了然；

　　一臺DH2000/RE1正余弦旋轉變壓器綜合測試儀即可高效率實現標準規定的所有試驗，并可自動出具試驗報告和合格判定。(測試儀內置高精度勵磁電源，用戶無需另外選購)

　　推薦閱讀：

　　銀河文庫：GB/T 10241-2007旋轉變壓器通用技術條件

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