旋转变压器原理及其在自动控制中的应用

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摘要：介绍旋转变压器（简称旋变）分类、结构特点、工作原理和解码方法，以及在各行各业中的应用，还有与其相关的工业设备（SMARTCAM）的应用特点。

关键词：旋转变压器，SMARTCODER，SMARTCAM

旋转变压器

简称旋变是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。它主要用于坐标变换、三角运算和角度数据传输，也可以作为两相移相器用在角度--数字转换装置中。

按输出电压与转子转角间的函数关系，主要分三大类旋转变压器：

1.正--余弦旋转变压器----其输出电压与转子转角的函数关系成正弦或余弦函数关系。

2.线性旋转变压器----其输出电压与转子转角成线性函数关系。线性旋转变压器

按转子结构又分成隐极式和凸极式两种。

3.比例式旋转变压器----其输出电压与转角成比例关系。

结构说明

由于我公司只销售日本多摩川公司的正余弦旋转变压器，所以在此介绍的旋转变压器皆为正余弦型的。

旋变由转子和定子绕组构成，并且两者相互独立，初级和次极线圈都绕在定子上，转子由两组相差90度线圈组成，采用无刷设计，如图1所示。

转子绕组定子绕组

图1

图2是旋转变压器电气示意图。

ER1-R2

励磁电压

Ve

ES2-S4

图2

旋变的输入输出电压之间的具体函数关系如下所示：

设转子转动角度为θ，初级线圈电压（即励磁电压）: ER1-R2=E*Sin2πft

f:励磁频率， E：信号幅度

那么输出电压ES1-S3=K*E*Sin2πft*Cosθ; ES2-S4=K*E*Sin2πft*Sinθ

K：传输比，θ：转子偏离原点的角度

令θ=ωt，即转子做匀速运动，那么其输出信号的函数曲线可表示为图3所示，

图中信号频率为f，即励磁信号频率，最大幅度为E，包络信号为Sinωt和Cosωt，解码器就是通过检测这两组输出信号获取旋变位置信息的。

不难看出，励磁频率越高，旋变解码精度也就越高，而励磁电压幅度则对解码没有很明显的影响。只需达到一定的电压数值即可, 一般来讲3V~120%额定电压。

（旋变转子旋转角度）

电气角

图3

解码

日本多摩川公司推出了自己的多款解码芯片，其原理都基本相同，如图4所示，解码芯片原理框图中如果图中Vsr=0, 那么θm=θrd. 即可解码出转子转角。

乘法器

SIN

COS

D/A

θrd

相敏解

调器

积分器

压控振

荡器

VSR=kE1sinωt*sin(θm-θrd)

1相励磁，两相出力

Vsr=kEsinωt(sinθm*cosθRD-cosθm*sinθrd)

=kEsinωt*sin(θm-θrd)

鉴相器

解调出θrd

kE1sinωt*sinθm

kE1sinωt*cosθm

θm

励磁回路

乘法器

图4

解码芯片输出方式有增量式输出和绝对式输出，增量式输出时分辨率为1024C/T(C:脉冲数， T：一圈)，绝对式输出输出位数为12位。而且可以输出方向信号和错误信号，外围电路简单，只需少许元件就可以完成解码工作。

日本多摩川公司先后推出的几款名为SMARTCODER的解码芯片，早期的有AU6802，AU6802N1，以及最近的AU6803等。

此外，旋变和多摩川的SMARTCAM配合可以模拟机械凸轮的运动控制，可以用于取代粗糙笨重的机械凸轮。成为工业控制中高效而又廉价的控制工具。

针对多摩川旋变我公司已经开发出解码板（即所谓的R/D转换板），能同时解码出增量式信号和绝对式信号，配合旋变，可以象使用编码器一样在变频以及SEVO系统中使用，欢迎各位来电咨询或洽谈购买。至于具体的解码电路就不在此介绍，读者朋友可以在相关的网站上搜索到芯片资料和相关的应用电路，如有疑问也可以直接拨打我公司电话咨询。

特征

由于旋转变压器本身的结构特点，所以具有耐恶劣环境的能力，具体参数如下：

温度范围： -55℃~155℃

振动： 196m/s2（20G）10~500Hz

冲击： 981 m/s2 （100G）10ms

湿度： 90% Rh Min. at60℃

转速： 100~500RPS

此外，旋转变压器采用无刷设计，所以维护方便，使用可靠，寿命长，对机械和电气噪

音不敏感。

由于旋变以上特点，所以被广泛应用在航空、航天、雷达、坦克和地炮火控等军事装备,也可用于数控机床和机器人等民用SEVO控制系统和机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷等领域。

应用

在伺服系统中，往往需要实时地检测出电机转子的位置，包括转子的绝对位置和增量式位置，同时还需检测出电机的速度，以实现对电机的转矩、速度、及其驱动的机构的位置的高精度控制。在电机转子位置的检测中，旋转变压器由于其具有坚固耐用，能够提供高精度的位置信息等突出优点，而获得越来越广泛的应用。

但是由于旋转变压器的输出是包含着位置信息的模拟信号，需对其处理并将其转化成对应的包含着位置信息的数字量，才能与单片机或ＤＳＰ等控制芯片接口。这就需要设计相应的信号转换电路或者使用专用的旋转变压器-数字转换器来实现。而多摩川所提供的AU6802N1系列解码芯片能很好的解决这个问题，它能同时输出绝对式信号和增量式信号，因此在伺服系统中获得了广泛的应用。

在纺织行业中，由于环境因素，容易产生严重的静电，普通编码器很容易在此类环境中损坏，而旋转变压器由于本身的结构特点，而具有很强的抵抗静电的能力。所以如果采用旋转变压器则可以很好的解决这个问题。

此外，在其他各行各业，旋转变压器都可代替编码器而获得广泛应用。比如在冶金，水利水电，自动化设备，印刷，电梯等都可应用。

具体应用方法，各位读者若有兴趣，欢迎来电咨询。