第六章 选择变压器和自整角机

第六章旋转变压器与感应同步器

9.1旋转变压器

9.1.1概述测量转角或转角差，属于控制微电机。外形结构和电机相似，有定子和转子。从原理上看，是一种可以旋转的变压器，原边、副边在定子和转子上。原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子转角有关，因此输出电压也与转角有关。函数关系：正余弦旋变，线性旋转变压器。极数：两极旋转变压器和多极旋转变压器。

9.1.2旋转变压器的结构与绕线式异步电动机相似。定子铁心内圆和转子铁心外圆上都有齿槽。两极两相分布绕组,轴线互相垂直。

9.1.3正余弦旋转变压器的工作原理一、空载运行旋转变压器的输出绕组是、。空载时输出绕组开路。定子绕组接交流激磁电压，频率为400Hz或50Hz。产生脉振磁场，位于的轴线上，并在绕组中感应出电势。设绕组轴线与脉振磁场轴线的夹角为

θ，该绕组的磁通的最大值Φ为该绕组感应电势有效值E为

轴线夹角为θ，两个输出绕组的感应电势的有效值分别为

是余弦绕组，是正弦绕组。旋转变压器的输出绕组接到阻抗很大的负载上时，可视为空载。

二、负载运行带上负载的旋转变压器输出电压与正余弦函数之间出现误差，误差的大小与转角和负载电流有关。转角为45°时误差最大。负载电流越大，误差也越大。输出电压的大小取决于磁场。转子负载电流改变磁场，引起输出误差。定量分析。将转子电流磁密分解为直轴分量和交轴分量。副边电流产生的直轴磁密被激磁绕组电流的负载分量抵消。原边电流不能产生交轴磁势，不能抵消转子负载电流磁密的交轴分量，转子电流磁密的交轴分量将完全存在于磁场中。交轴磁密使磁场发生了改变。

转子电流产生的磁势为交轴磁势为负载电流越大，交轴磁势以及由它引起的输出特性误差也越大。

，交轴磁势和交轴磁密最大，负载特性与空载特性之间出现最大偏差。负载时输出电压误差是由负载电流的交轴磁势引起的。

三、副边补偿的正余弦旋转变压器副边补偿原理是，副边两个绕组都接负载，使交轴磁势互相抵消。两个磁势的直轴分量方向相同，交轴分量则方向相反，互相抵消。若能使二者幅值相等，交轴磁势就完全抵消。交轴磁势完全抵消的条件是称为副边对称补偿。

三、副边补偿的正余弦旋转变压器交轴磁势完全抵消的条件是

称为副边对称补偿。转子直轴磁势副边对称补偿时转子直轴磁势与转角无关，旋变的输入电流及输入阻抗与转角无关。

四、原边补偿的正余弦旋转变压器旋转变压器定子上还有一个绕组，轴线方向正是交轴方向。在这个绕组中通上电流，就可能抵消交轴磁势。这个绕组中有感应电势，使该绕组通过阻抗闭合，就有电流。称为原边补偿。补偿绕组或

交轴绕组。补偿阻抗。激磁电源内阻抗

。负载电流产生的交轴磁势完全被抵消，称原边对称补偿。电源内阻很小，所以可以把补偿绕组直接短路。优点：简单。

缺点：输入电流及阻抗与转角有关。

实际应用时，为了减小误差，可以同时采用原边补偿和副边补偿。小结采用了补偿措施的正余弦旋转变压器的磁场是直轴方向，当转子相对于基准绕组轴线转动角时，正弦和余弦输出绕组输出交流电压，相位相同，频率相同。输出电压的有效值分别为

式中为最大的输出电压有效值。9.1.4线性旋转变压器

正余弦旋转变压器转角小时是线性元件，非线性误差小于0.1%；，非线性误差小于1%。忽略绕组的阻抗压降时有

K为0.56～0.57，线性特性最佳。士60°范围内，误差不超过0.1%。有效值符号不同时，表明对应的交流电压的相位相反，经相敏检波（解调）后的直流电压极性相反。

9.1.5旋转变压器的应用

1.角度测量元件小角度，线性测量元件。在大角度范围内,使用旋变转换器模块，将旋变的输出信号转换成数字量输出。2.特殊应用用1对旋变测量在机械上不相连的两个轴的转角差。这时旋变的输出电压与两轴的转角差的正弦成正比，由于系统正常工作时转角差较小，所以输出电压与两轴的转角差成正比，而与轴的转角大小无关。左边旋变转轴与发送轴相连，称旋变发送机，转子绕组为激磁绕组和补偿绕组。右边的旋变转轴与接收轴相连，称为旋变变压器，转子绕组输出电压信号。两机的定子绕组按相序对接。旋变发送机的转角为，旋变变压器转角为。旋变变压器磁场与定子绕组轴线的夹角为。转子绕组的感应电势有效值为9.2多极旋转变压器测量精度提高。1.结构定子和转子，两相多极交流绕组。2.工作原理感应电势的产生原理与两极旋变相同。但气隙磁场是多极的，输出电压有效值随转子转角变化的周期不同。周期是360°/p

3.应用测转角或两轴转角差。注意在0°～360°范围内，多极旋转变压器输出电压是周期函数，从输出电压不能唯一确定转角。实际系统中总是把两极旋变与多极旋变配合使用，组成双通道测角装置，其中两极旋变担当粗测，多极旋变实现精测，由粗精转换电路完成数据组合。工作原理类似于游标卡尺，大数看长尺，小数看游标小尺。9.3感应同步器高精度的转角和线位移测量元件。直线式检测直线位移，旋转式检测转角。结构固定部件和运动部件，其上都有绕组。两部件上的平面绕组面对面地放置，气隙为0.25mm。工作原理同多极旋变。在一个部件的绕组上通交流电压激磁，在另一个部件的绕组上产生感应电势，该电势的有效值与相互位置有关。特点采用印制绕组，极数很多，可达几百、上千个。配上适当的信号处理电路可以达到很高的测量精度。激磁电压频率一般是1～20kHz。感应同步器的优点：

1.具有很高的精度和分辩率。直线式感应同步器的精度可达到1μm，直径为300mm的旋转式感应同步器的精度可达1″。

2.抗干扰能力强。

3.结构简单、工作可靠、使用寿命长。固定部件和运动部件互不接触，没有摩擦。4.工艺性好，制造精度的要求不很高，成本较低。感应同步器的缺点：

输出信号弱，信号处理麻烦，配套信号处理设备（数显表）复杂，价格高。9.3.1感应同步器的结构直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，滑尺比定尺短。

印制绕阻屏蔽层基板厚度为10mm。目前高精度感应同步器多采用非铁磁材料作基板，如采用铝基材料、玻璃等，这些材料没有铁磁物质，可以减小误差和提高精度。也有采用铁磁材料作基板。绕组定尺绕组是连续的单相绕组，滑尺的绕组是分段绕组，按所处的磁场位置分为正弦绕组s和余弦绕组c，交替排列，各自串联形成正弦和余弦两相绕组。旋转式感应同步器由定子和转子组成。绕组是由辐射状的导片组成。转子上的绕组是单相连续绕组，其径向导片数也是极数。定子绕组是分段绕组，分为正弦和余弦两大组，交替排列，各自串联形成两相绕组。直径越大，精度越高。

9.3.2感应同步器的工作原理一、直线式感应同步器的工作原理极距τ是相邻金属片中心线间的距离。节距L=2τ，也称检测周期。正弦绕组s

和余弦绕组c相距3L/4。定尺绕组通交流电激磁，产生一个多极的脉振磁场，磁极之间的距离是τ，磁场分布周期是节距L

。脉振磁场在滑尺绕组上产生感应电势，有效值随滑尺位移作周期性变化，周期为节距L

。

有效值输出电势分解为基波和一系列谐波之和，其中谐波很小，所以输出电势可用基波分量表示。由于周期为L，所以正弦绕组s和余弦绕组c中的感应电势有效值是瞬时值绕组的感抗远小于电阻，选择适当的正方向后，可认为感应电势领先激磁电压90°。若二、旋转式感应同步器的工作原理单相绕组通电时形成磁场，磁极数与径向导片数

N

相等。两相邻导片间的夹角就是磁极之间的距离，称为极距（rad）。（rad）也称为节距或检测周期，它是磁场分布的周期。极对数p

为

感应电势有效值以L为周期，故有感应电势的瞬时值领先激磁电压90°。若激磁电压为三、关于感应同步器感应电势的几个结论定义电角，可将感应电势公式统一。直线式感应同步器

rad旋转式感应同步器

rad采用完全相同的方法还可以得出下述结论：当正弦绕组s和余弦绕组c中分别接上有效值为U的正弦（或余弦）交流激磁电压时，它们在单相连续绕组中感应的电势有效值分别为（下标2表示副端）无论是单相绕组激磁还是两相绕组激磁，感应电势都属于同频率的正弦电势，感应电势与激磁电压的相位差是90°。一般取感应电势超前激磁电压90°。9.3.3感应同步器的信号处理方式感应同步器作为测量元件，还需解决几个问题。l）正余弦函数在一个周期内并不是单值对应关系。2）当电角超出一个周期的范围，这时必须记录周期的个数才能确定电角。3）输出电压的误差大。有鉴相型和鉴幅型两种信号处理方式。两类激磁方式。两相绕组激磁——两相激磁式。单相绕组激磁——单相激磁式。前面介绍工作原理时是以单相激磁式为例。目前在实用中多数用两相激磁方式。

一、鉴相型处理方式

根据输出电势的相位来鉴别电角。

1）两相激磁式在感应同步器正弦绕组s、余弦绕组c上加幅值和频率相同、相位差90°的交流激磁电压单相绕组上感应的电势应用叠加原理可知单相绕组总感应电势

2）单相激磁式单相绕组加激磁电压移相90°后得输出电势

二、鉴幅型处理方式根据输出信号的幅值鉴别电角。

1）两相激磁式激磁电压幅值变化。为指令位移角，是已知的。单相连续绕组的总感应电势为2）单相激磁式单相绕组中加激磁电压：在正弦绕组s和余弦绕组c

的感应电势分别为：送入函数变压器或其他装置中处理：送入加法器相加后作为输出信号输出9.3.4鉴相型数字

编码装置一、鉴相型编码原理将被测信号与基准信号的相位进行比较，求出相位差并转换成脉冲个数。整形电路，双稳态触发器，上升沿触发。计数器只在

，

…时间内计数。

曲线是由曲线向左平移得到的。一个脉冲所代表的相位移取决于，可见相位一数字转换的精度和分辨率取决于时钟脉冲周期。二、鉴相型数显表三大部分1．位移变成电信号包括时钟脉冲、绝对相位基准、激磁、感应同步器和滤波整形电路。2.求电信号相位并转成数字包括时钟脉冲、相对相位基准和鉴相器。

3.计数及显示包括计数脉冲门、显示计数器、加减计数逻辑、绝对零点、译码显示等。

9.3.5鉴幅型数显表

两相激磁式直线感应同步器，激磁电压输出电势的幅值指令角是已知的，代表感应同步器的激磁电压幅值。转换计数器使数模转换器改变滑尺激磁电压的幅值即改变。

关健使感应同步器激磁电压的幅值随着按正、余弦关系变化。函数变压器这种变压器的副端有很多抽头，再配上电子开关线路就可以实现电压的改变。脉冲调宽方法用方波信号激磁。

第一项基波与所要求的激磁电压相似。用转换计数脉冲改变激磁电压方波的宽度可以精确地调整激磁电压。优点：集成化。

9.4自整角机分类：控制式自整角机和力矩式自整角机一、力矩式自整角机的结构与工作原理自整角机是一种能对角位移或角速度的偏差自动整步的感应式控制电机。属于测位用微特电机。一般成对或多台组合使用。9.4.1自整角机的结构与工作原理通常采用两极结构，绝大部分采用凸极式结构，频率高、尺寸大的力矩式自整