旋转变压器基础知识

1、旋转变压器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 ，我所目前主要生产以下三大类旋转变压器：1.正- 余弦旋转变压器（ XZ） 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（ XX）、（ XDX） 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，前者（ X

2、X）实际上也是正 - 余弦旋转变压器，不同的是采用了特定的变比和接线方式。后者（XDX）称单绕组线性旋转变压器。比例式旋转变压器（ XL） 其输出电压与转角成比例关系。 二、 旋转变压器的工作原理 由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子 当激磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，3.原理图。图中 Z 为阻抗。设加在定子绕组（ 旋转一周 ） 之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律， 因此， 转子绕组便产生感应电势。图43 为两极旋转变压器电气工作的激磁电压为VS Vm sin t图 4-3 两极旋转变压器根据电磁学原理，转子绕组B1B2VB KVs sinKVm sin sin t式中 K旋转变压器

3、的变化；41)中的感应电势则为42）（42）Vm Vs的幅值 ；转子的转角，当转子和定子的磁轴垂直时， 安装在机床丝杠上，定子安装在机床底座上，则 的角度，它间接反映了机床工作台的位移。=0。如果转子 角代表的是丝杠转过由式 （4 2）可知，转子绕组中的感应电势VB为以角速度随时间 t变化的交变电压信号。其幅值KVm sin随转子和定子的相对角位移以正弦函数变化。因此，只要测量出转子绕组中的感应电势的幅值，便可间接地得到转子相对于定子的位置，即 角的大小。 以上是两极绕组式旋转变压器的基本工作原理， 在实际应用中， 考虑到使用的方便性和检测精度等因素， 常采用四极绕组式旋转变压器。这种结构形式

4、的旋转变压器可分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式。1 鉴相式工作方式 鉴相式工作方式是一种根据旋转变压器转子绕组中感应电势的相位来确定被测位移大小的检测方式。如 图 4-4 所示，定子绕组和转子绕组均由两个匝数相等互相垂直的绕组组成。图中 S1S2为定子主绕组， K 1K 2为定子辅助绕组。当 S1S2 和 K1K 2 中分别通以交变激磁电压时VsVm cos t （4 3）;V V sin t（4（43） 4）（44）B1B2 中得到感应电势 VB ，其值为激磁电压 Vs和Vk在 B1B2 中产生t （4 3）;VsVm sin t （4 4）根据线性叠加原理，可在转子绕组感应电势 VBS和 V

5、BK 之和，即VBVBS VBKKVs sin( ) KVk cosVB VBS VBKKVs sin( ) KVk cosKVm sins tcos( 4k 5)KVm cos t sin( 4 5K)V sin tcos 4 5) mKVm cos tsinKVm sin( t )KVm sin( t )45)图 4-4 旋转变压器电气工作原理VB 。而 角正 与定子激磁电压信号 Vk 的相位，由式(4 4) 和(4 5)可见，旋转变压器转子绕组中的感应电势 与定子绕组中的激磁电压同频率，但相位不同， 其差值为 VB是被测位移，故通过比较感应电势便可求出在图 44 中，转子绕组 A1A2

6、接一高阻抗，它不作为旋转变压器的测量输出，主要起平衡磁场的作用， 目的是为了提高测量精度。2鉴幅式工作方式 鉴幅式工作方式是通过对旋转变压器转子绕组中感应电势幅值的检测来实现位移检测的。其工作原理如下：参看图 4-4 ，设定子主绕组 S1S2和辅助绕组 K1K 2分别输入交变激磁电压V cos sin t(4 6);V s Vm sin sin t(47)(47)式中Vm cos 和 Vm sin 分别为激磁电压VS和 Vk的幅值。角可以改变， 称其为旋转变压器的电VsVm cos sin t (4 6);V V sin( 4si6n) t (4 7)气角。VBB1B2根据线性叠加原理，得出转

7、子绕组中的感应电势如下：VBVBVBSVBVSBKVBKK Vs sKiVn(s si)n( KV)k coKsVk coKsV cosK Vsimncot sinsinKVt sisnin sKinVtmcsoins sin tcos KVKmVsimns(in( )sin)stin (t4 8()(44 88)由式 (4-8) 可以看出， 感应电势 的幅值等于零，这时，因 KVm sin( 故可得 ： =VB是幅值为KVm sin(VB)0的交变电压信号， 我们只要逐渐改变4(9)49)值，值就是被测角位移 的大小。 由于 是我们通过对它的逐渐改变， 实现使 然是应该知道的。三、 旋转变压

8、器的应用410)VB 幅值等于零的，其值自在旋转变压器的鉴相式工作方式中，感应信号 和激磁信号 Vk 之间的相位差 角，可通过专用的鉴相 器线路检测出来并表示成相应的电压信号，设为U() ，通过测量该电压信号，便可间接地求得值。但由于是关于 的周期性函数， U()是通过比较和 Vk之值获得的，因而它也是关于的周期性函数，即U()=U(n × 2+) (n=1,2,3,)(49)故在实际应用中，不但要测出 U() 的大小，而且还要测出 U( )的周期性变化次数 n，或者将被测角位移 角限制在±之内。在旋转变压器的鉴幅式工作方式中， 的幅值设为m，由式 (4-8) 可知它也是关

9、于 的周期性函数，在实际应用中，同样需要将（ 4 10 ）角限制在±之内。在这种情况下，若规定和限制 角只能在 - , 内取值，利用式 （4-10） ，便可唯一地确定出 之值。否则，如 =3 2（），这时， =3 2和 =- 2 都可使m，从而使 角不能唯一地确定，造成检测结果错误。由上述知，无论是旋转变压器的鉴相式工作方式，还是鉴幅式工作方式，都需要将被测角位移角限定在±之内，只要 在±之内，就能够被正确地检测出来。事实上，对于被测角位移大于或小于- 的情况，如用旋转变压器检测机床丝杠转角的情况，尽管总的机床丝杠转角 可能很大，远远超出限定的±范 围，

10、但却是机床丝杠转过的若干次小角度i 之和，即（ 4 11）而 i 很小，在数控机床上一般不超过3°，符合 - i的要求，旋转变压器及其信号处理线路可以及时地将它们一一检测出来，并将结果输出。因此，这种检测方式属于动态跟随检测和增量式检测。基于旋转变压器的永磁同步电机高精度位置检测系统 永磁同步电动机控制系统的关键技术之一是转子位置的检测，只有检测出转子实际空间位置（绝对位置） 后, 控制系统才能决定变频器的通电方式、控制模式及输出电流的频率和相位, 以保证永磁同步电动机的正常工作。因此在采用转子磁场定向控制方式的永磁同步电机控制系统中 , 转子位置的精确可靠检测是实现矢量 控制技术的

11、关键。 在常用的光栅编码器、 霍尔传感器和旋转变压器等转子位置传感器中 , 旋转变压器具 有耐高温、 耐湿度、抗冲击性好、 抗干扰能力强等突出优点， 从而可以精确可靠的产生转子绝对位置信息 , 因 此适用于永磁同步电机数字控制系统 , 满足其应用系统高性能、 高可靠性的要求。 本文提及的永磁同步 电机控制系统使用日本多摩川公司的正余弦转变压器检测电机转子的位置 , 采用新型的旋转变压器 / 数字转 换器 ad2s80a 将旋转变压器输出的模拟信号转换为数字信号。 分析了 ad2s80a 的工作原理 , 设计了位置信号检 测电路，并给出了与数字信号处理器 tms320lf2407a 的 spi

12、通讯接口方法及程序示例。旋转变压器的基本原理 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、余弦函数关系，这种旋转变压器 又称为正余弦旋转变压器。 在电机控制系统中，用于测量位置信息的旋转变主要是正余弦旋转变压器。 本系统中所采用 的是日本多摩川公司的正余弦旋转变压器。这种旋变由转子和定子绕组构成，并且两者 相互独立，一次和二次极线圈都绕在定子上，转子由两组相差90°线圈组成，采用无刷设计。图 1 是其电气示意图。图 1 旋转变压器电气示意图 旋变的输入输出电压之间的具体函数关系如下所示 : 设转

13、子转动角度为 ，初级线圈电压（即励磁电压）为 er1-r2 esin2 ft 式中 f 励磁频率 ; e 信号幅度。那么输出电压： es1-s3 kesin2 ftcos es2-s4 kesin2 ftsin 式中 k传输比 ; 转子偏离原点的角度。令 t, 即转子做匀速运动，那么其输出信号的函图 2 旋转变压器输入输出波形图 2 中，输出的电压包络信号为为 sin t和 cost ，数字转换器就是通过检测这两组输出信号 获取旋变位置信息的。位置检测转换电路设计 1-2 ad2s80a 芯片简介ad2s80a 是 ad 公司的 rdc 芯片 ad2s80 系列的一种，具有精度可调、可靠性高、

14、状态和控制信 号数字化、易与微控制器 dsp 相连等优点，可用于自整角机、旋转变压器、感应同步器的数字转换。其封装 形式有 40 管脚的 dip 和 44 管脚的 lcc 方形两种。 ad2s80a 的分辨率有 10、 12、14、16 bit 几种可选 , 可由 引脚 sc1 和 sc2 的逻辑状态来决定。通过选择不同的外接电阻和电容 , 可得到不同的带宽和跟踪速率。ad2s80a 转换电路的设计由旋转变压器的原理可知 , 要使旋转变压器正常工作 , 在其转子端必须施加一个正弦激励。本系 统中正弦激磁信号由 intersil 公司的 icl8038 芯片产生，根据永磁同步电动机控制系统的实际

15、情况 , 激磁信 号选取为 10 khz 的正弦波（即 ad2s80a 的参考频率）， ad2s80a 的分辨率选为 16 bit, 最大跟踪速度为 16. 25 r/ s, 带宽为 600 hz。由这些性能指标 ,根据公式可以选出外围电路元件。关于计算公式 , 这里不 再叙述。图 3 ad2s80a 外围电路连接框图图 3 示出旋转变压器 / 数字变换器（ rdc ）的内部原理框图和外围电路。根据 reference i/p 引脚 引入的正弦信号 sin 和余弦信号 cos 以及 sin 引脚输入的调制信号 , 实现绝对角度测量。由图 3 可知,ad2s80a 作为一个跟踪转换器运行 , 数

16、码输出能以选取的最大跟踪速率自动跟踪轴 角输。因为它采用一种比率式跟踪方法,输出的数字角度只与输入的 sin 和 cos 信号比值有关 ,而与他们的绝对值无关 ,故 ad2s80a 对输入信号的幅值和频率变化不敏感 ,也不必使用精确、 稳定的振荡器来产生参考信号。 转换环路中相敏检测器确保了对参考信号中的正交分量有很高的抑制能力。 因具有高的噪声抑制比 , 可以减少 从旋转变压器到转换器 rdc 远距离长线带来的误差。 16 条数据线输出口有三态输出数据锁存功能 , 通过对 byte select 引脚的控制 , 可向 8 bit 或 16 bit 数据总线传输。位置检测模块与 dsp 的 s

17、pi 通讯在永磁同步电机的控制系统中，为了简化电路的设计，提高位置信息读取速度，转子位置信号 采用 spi 串行通讯模式传输到 dsp 中，而 ads2s80a 输出的数据为 16 位的并行数据，为了实现与 dsp 的 spi 通讯，需要把 ads2s80a 输出的并行数据转化为串行数据。并行数据转串行数据并行数据转化为串行数据通过 74hc165 芯片实现。此款芯片同时只能转换 8 位数据，而 ad2s80a 输出的 数据为 16位，从而需要将两片 74hc165 进行级联以实现 16 位并行数据转化为串行数据输出。 74hc165 的数 据传输时序图如图 4 所示。图 4 7hc165 数

18、据输出时序图由图 4 可以看出，当 clk inh 为高电平时，数据不能输出，当 clk inh 变为低电平后，在下 一个脉冲的上升沿，数据才移位输出。并且，当 sh/ld 为低平时，并口输出的数据被采集进来，当其变为高 电平后，数据被锁存。从而可以用一个反相器将 clk inh 的输入信号反相后再接入 sh/ld ，这样当 clk inh 为高电平时，并口输出的数据被采集到片内，当 clk inh 为低电平后，在下一个脉冲上升沿， 数据开始移位输出，而 clk inh 可以作为 spi 通讯的片选信号。spi 通讯的实现dsp 与位置信号检测模块进行 spi 通讯时，采用从模式，通讯时钟由位

19、置检测模块提供 3 ，本 系 统 中 时 钟 频 率 为 1mhz。 图 5 给 出 了 dsp 与 位 置 检 测 模 块 spi 通 讯 连 接 示 意 图 。图 5 位置检测模块与 dsp 的连接示意图由于 dsp 的 spi 通讯模式为从模式， dsp 接收数据时需要先被选通，本系统中通过一个 i/o 口， 给spitie 一个低电平选通 dsp，同时，由于 clkinh 也变为低电平， 74hc165 开始串行移位输出采集的并行数 据，数据传输完毕，再给 spite 一个高电平，停止接收数据，同时 74hc165 开始采集 ad2s80a 输出的并行数 据。这样就实现了 dsp 与位置检测模块的 spi 通讯。需要注意的一个问题是，在进行 spi 通信时，数据采集的时序可能不同步，即 :dsp 接受的数据 与实际值相比，向右或左平移一位。为了防止数据丢失，可以进行如下处理:在选通 dsp 的片选信号之前，可以先检测 74hc165 的脉冲信号，在检测到此脉冲的下降沿后，延时大约一个脉冲周期后，再选通dsp ，在这样的一个脉冲之后的下一个上升沿，数据开始往 dsp 的 spi 口传送，这样 dsp 接收的数据就不会发生移位 现象。下面给出一个 dsp 与位置检测模块 spi 通讯的参考程序段 :设置 spildp#0e0h; 设置 iopc3 作为