一旋转变压器概述

　　旋转变压器和光电编码器是目前伺服领域应用最广的测量元件，其用途类似光电编码器，其原理和特性上的区别决定了其应用场合和使用方法的不同。

　　光电编码器直接输出数字信号，处理电路简单，噪声容限大，容易提高分辨率，缺点是不耐冲击，不耐高温，易受辐射干扰，因此不宜用在军事和太空领域。

　　旋转变压器具有耐冲击、耐高温、耐油污、高可靠、长寿命等优点，其缺点是输出为调制的模拟信号，输出信号解算较复杂。

图1. 旋转变压器

　　广义上讲，旋转电机都属于旋转变压器，本文称的旋转变压器是特指用作角度或速度测量的信号电机。

　　旋转变压器是一种电机，是一种测量用途的信号电机；

　　旋转变压器是一种角度或速度传感器；

　　作为自动控制系统中作为角度或转速信号的监测装置，旋转变压器及自整角机、感应移相器、感应同步器、轴角编码器、测速发电机等均属于控制电机；

　　旋转变压器是一种电磁感应元件，与静止变压器不同之处在于其原边绕组和副边绕组的相对位置可变，是可旋转的；其原边和副边的耦合程度因旋转的角度不同而不同。

　　按照旋转变压器的副边输出和原边输入的关系，可以分为：正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等四类。

　　旋转变压器的英文为resolver，根据词义，有人把它称作为“解算器”或“分解器”。

　　《GB/T　2900.26-2008　电工术语 控制电机》中关于旋转变压器的相关定义如下：

1旋转变压器

　　旋转变压器（electrical resolver；resolver）是指以可变耦合原理工作的交流控制电机。它的副方（次级）输出电压与转子转角呈确定的函数关系。

2正余弦旋转变压器

　　正余弦旋转变压器（sine-cosine resolver）是指副方（次级）输出电压与转子转角呈正弦和余弦函数关系的旋转变压器。

3比例旋转变压器

　　比例旋转变压器（linear resolver）是指在一定转角范围内，副方（次级）输出电压与转子转角呈线性函数关系的旋转变压器。

4特种函数旋转变压器

　　特种函数旋转变压器（special function resolver）是指在一定的转角范围内，副方（次级）输出电压与转子转角呈某种特定函数（除正余弦函数和线性函数外）关系的旋转变压器。

5单绕组线性旋转变压器

　　单绕组线性旋转变压器（induction potentiometer）是指原方（初级）和副方（次级）各仅有一套绕组的线性旋转变压器。

6旋变发送机

　　旋变发送机（resolver transmitter）是指将转子角位移转换成与之相对应的四线电信号输出的正余弦旋转变压器。

7旋变差动发送机

　　旋变差动发送机（resolver differential transmitter）是指接收来自旋变发送机的电信号，输出对应于发送机与自身角位移之和（或差）的电信号的正余弦旋转变压器。

8旋变变压器

　　旋变变压器（resolver transmitter）是指接收来自旋变发送机（或差动发送机）的电信号，输出一个对应于发送机（或差动发送机）角位移与自身角位移之和（或差）的电信号的正余弦旋转变压器。

9无刷旋转变压器

　　无刷旋转变压器（brushless resolver）是指没有电刷和滑环结构且允许连续旋转的旋转变压器。

10多极旋转变压器

　　多极旋转变压器（multipolar resolver）是指极对数大于1的旋转变压器。

11双通道旋转变压器

　　双通道旋转变压器（dual-speed resolver）是指单对极和多对极旋转变压器的组合。

12磁阻式旋转变压器

　　磁阻式旋转变压器（variable reluctance resolver）是指按定转子之间可变磁阻效应原理工作的无刷旋转变压器。

二旋转变压器结构

　　作为信号电机，旋转变压器与电机类似，主要由定子和转子构成。定子和转子铁心由导磁性能良好材料制作而成，定子铁心内层和转子铁心外层上布有齿槽。

图2. 旋转变压器结构图

　　在定子槽中分别布置有两个空间互成90°的结构完全相同的绕组，一个是定子激磁绕组，一个为定子交轴绕组。

　　在转子槽中分别布置有两个空间互成90°的结构完全相同的绕组，一个正弦输出绕组，一个余弦输出绕组。

　　定、转子间的气隙是均匀的，气隙磁场一般为两极。定子绕组引出线可直接引出或接到固定的接线板上，而转子绕组引出线则通过滑环和电刷引出。

　　对于线性旋转变压器，由于转子转角有限（往复运动，不是连续旋转），可以用软导线直接将转子绕组线端引出。

三旋转变压器电气原理图

　　下图为正余弦旋转变压器的电气原理图：

图3. 旋转变压器电气原理图

　　图中，S1S3为原边励磁绕组，S2S4为原边交轴补偿绕组。R1R3为副边正弦绕组，R2R4为副边余弦绕组。

四旋转变压器电压矢量图

　　下图为不含补偿绕组的定子励磁旋转变压器的电压矢量图：

图4. 旋转变压器电压矢量图

五旋转变压器电压方程式

　　定子励磁，不带补偿绕组的正余弦旋转变压器在任意电气角度下输出电压满足下述方程式：

　　U_R1R3=KU_S1S3cosθ+ KU_S2S4sinθ

　　U_R2R4=KU_S2S4cosθ- KU_S1S3sinθ

　　式中：

　　U_R1R3为转子绕组R1R3之间的电压；

　　U_R2R4为转子绕组R2R4之间的电压；

　　U_S1S3为定子绕组S1S3之间的电压；

　　U_S2S4为定子绕组S2S4之间的电压；

　　θ为旋转变压器转子相对定子的电气角；

　　K为旋转变压器变比。

　　当原边定子交轴绕组短路时，电压方程式变为：

　　U_R1R3=KU_S1S3cosθ

　　U_R2R4= - KU_S1S3sinθ

　　对旋转变压器的励磁绕组、正弦绕组和余弦绕组的输出信号进行测量和分析，可以计算出旋转变压器的电气角和旋转速度。

六旋转变压器主要技术指标

1零位电压

　　旋转变压器的输出绕组中感应电压最小时，转子位置就是电气零位，输出电压就是零位电压。零位电压也称剩余电压（Null voltage）。

　　理想的旋转变压器的零位电压等于零。实际则因为绕组分布误差、交轴不是严格正交、导磁材料磁导率不均匀、磁路不对称、干扰等因数的存在，旋转变压器零位电压一般不为零，零位电压通常应小于最大输出电压的0.1%，而其基波电压通常有较大的占比，准确测量零位电压是评价旋转变压器的一个重要环节。

　　旋转变压器零位电压的真有效值及基波有效值需符合产品专用技术条件的规定。

2相位移

　　相位移是指励磁电压与输出电压的基波分量之间的相位差。旋转变压器相位移通常超前，对于控制系统而言，相对固定的相位移是可以接受的，但是，较大的、并且不稳定的相位移则是不允许的。

　　一般而言，随着基座号的上升、励磁频率的上升，相位移随之减小。随着温度的上升，绕组电阻变大，相位移也会变大。

　　在控制系统中，许多时候，把相位移或相位移的变化控制在一定的范围内，是非常有必要的。

3变压比

　　旋转变压器的变压比与静止变压器的变比含义相同，但是，旋转变压器在不同转角时，磁场耦合程度不同，输出电压不同。因此，旋转变压器的变压比是指在规定励磁条件下，最大空载输出电压的基波分量与励磁电压的基波分量之比。

　　旋转变压器的上述特点，给其变压比测量带来了一定的困难。

　　变压比是旋转变压器的基本技术指标，一般在铭牌中标称。

4开路输入阻抗

　　旋转变压器的技术指标中，在铭牌上标称的指标一般只有两个，一个是变压比，另一个就是开路输入阻抗。

　　旋转变压器的开路输入阻抗一般在200Ω~10kΩ之间。

5线性误差

　　线性误差是指线性旋转变压器在工作角度范围内仍一转子位置时的实际输出电压与理论输出电压的偏差。

　　

　　式中：

　　δ1——线性误差；
　　Uθ’——在转子角度为θ时所测得的输出电压基波同相（与最大输出电压同相）分量；
　　Uθ——在转子角度为θ时输出电压基波同相（与最大输出电压同相）分量的理论值；
　　U60——在转子角度为60°时输出电压基波分量的理论值。

6函数误差

　　正余弦旋转变压器在任一转子位置时函数误差的表达式为：

　　式中：

　　δs——函数误差；

　　Uθ——在转子角度为θ时输出电压基波同相（与最大输出电压同相）分量；

　　U——在转子角度为90°时输出电压基波分量。

7电气误差

　　电气误差是指转子实际电气角度与通过输出测量计算获得的电气角度的偏差。一般不超过12′。

8交轴误差

　　原边绕组轮流励磁（剩下绕组短路），转动转子，分别测得转子理论角度为0°、90°、180°、270°时的电气误差，按要求取这些电气误差的代数差，绝对值最大的差值为交轴误差。

七旋转变压器综合测试仪

　　正余弦旋转变压器输出为调幅波，包含了转角及转速信号，银河电气在充分研究正余弦变压器输入输出关系的基础上，研制了DH2000/RE1正余弦旋转变压器综合测试仪。测试仪如下图4所示。

图4：正余弦旋转变压器综合测试仪

　　● 全新测试手段，告别纷繁复杂的传统仪器；

　　● 现代测试技术，全面提高测试精度；

　　● 全面解码旋变，状态及性能参数一目了然；

　　一台DH2000/RE1正余弦旋转变压器综合测试仪即可高效率实现标准规定的所有试验，并可自动出具试验报告和合格判定。(测试仪内置高精度励磁电源，用户无需另外选购)

　　推荐阅读：

　　银河文库：GB/T 10241-2007旋转变压器通用技术条件

　　产品应用：旋转变压器综合试验系统

　　基础知识：正余弦旋转变压器输出的是正余弦信号吗？

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