旋转变压器的原理及应用

1.旋转变压器的分类
2.旋转变压器的结构和工作原理
3.旋转变压器的应用

旋转变压器是测量机械转角的控制电动机。旋转变压器的输出电压与转子转角具有一定的函数关系，根据具体的设计方法，可以获得正弦关系、余弦关系或线性关系等函数关系。在控制系统中可以用做检测元件、坐标变换、三角运算等。这种控制电动机在工作状态中，实质是一台变压器。

旋转变压器的定子通常作为原边，或者一次侧，输入单相交流电压。旋转变压器的转子通常作为副边，或者二次侧，输出单相交流电压。原边和副边的电磁耦合程度，由转子相对于定子的旋转角度决定。改变转子的转角，也就改变了原边和副边的电磁耦合程度，最终导致输出单相交流电压的幅值发生变化。通过观察输出的单相交流电压的幅值的变化，就可以得知转角的变化。因此把这种控制电动机称为旋转变压器。旋转变压器的转子绕组一般有两套：一套绕组的输出电压与转子转角成正弦函数关系；另一套绕组的输出电压与转子转角成余弦函数关系；这种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，是旋转变压器的最基本的形式，旋转变压器默认是指正余弦旋转变压器。

通过对正余弦旋转变压器进行改造，例如，对于定子绕组和转子绕组采用不同的连接方式，选择不同的参数，就可以使输出电压与转子转角具有线性函数关系。具有这种特性的变压器称为线性旋转变压器。

线性旋转变压器只能做到在一定的工作转角范围内成线性关系，典型工作转角范围在±60°之内。

通过对正余弦旋转变压器进行另一种形式的改造，即增加一个调整和锁紧转子位置的装置，可以得到比例式旋转变压器，输出电压仅是输入电压的若干倍。

旋转变压器还有其他分类的方法。若按有无电刷和滑环之间的滑动接触来分，可分为接触式和无接触式两种，默认情况是接触式旋转变压器。在无接触式中又可再细分为有限转角和无限转角两种。若按电动机的极对数多少来分，又可分为单极对和多极对两种。默认情况是指单极对旋转变压器。

1.旋转变压器的分类

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。
　　 线性旋转变压器是指其输出电压的大小与转子转角α成正比关系的旋转变压器。正、余弦旋转变压器就可作为线性旋转变压器来使用，因为当转子转角α用弧度作单位，且α在很小的范围内，有sinα≈α。线性的范围取决于所要求的精度。若要求输出电压和理想直线关系的误差不超过±0.1%，可以计算出线性的转角范围仅为±4.5°，显然，这样小的线性转角范围不能满足实际使用的要求。为了扩大线性转角的范围，必须采用其他措施。在旋转变压器结构保持不变的情况下，可以通过改变接线的方式达到这个目的。

（3）.比例式旋转变压器—-其输出电压与转角成比例关系。

2.旋转变压器的结构和工作原理

（1）结构

旋转变压器的结构可以分为定子和转子两大部分。旋转变压器的原理可以按空载和负载两种情况分析。

旋转变压的典型结构

旋转变压器可以分为定子和转子两大部分。每一大部分又有自己的电磁部分和机械部分。电刷固定在后端盖上和滑环摩擦接触。这样转子绕组引出线就经过滑环和电刷而接到固定的接线柱上。对于比例式旋转变压器，由于转子已经被锁紧到一定角度，所以一般是用软导线直接将转子绕组接到固定的接线柱上。

这样可以省去滑环（又叫集电环）和电刷装置，使结构简单。对于普通旋转变压器，即正余弦旋转变压器，则需要滑环和电刷装置，电刷及滑环材料采用金属合金，以提高接触的可靠性及寿命。

转子的电磁部分由绕组和铁芯组成。转子绕组有两个，分别为正弦输出绕组（其引线端常标示为Z1、Z2，字母Z表示转子）和余弦输出绕组（其引线端常标示为Z3、Z4）。它们均布置在转子槽中，正弦输出绕组和余弦输出绕组轴线在空间相隔90°，如图所示。

转子铁芯由硅钢片叠压而成，外圆处冲有均匀分布的槽，以便嵌放转子正、余弦绕组。转轴采用不锈钢材料，转轴两端的轴承档和端盖的轴承室之间装有轴承，以达到转子能自由旋转的目的。转子绕组引出线和滑环相接，滑环应有4个，均固定在转轴的一端，分别与转子绕组的Z1、Z2、Z3、Z4端通过电刷滑动接触。滑环本身引出导线，导线末端与接线盒的固定端子相连。可见，接线盒中应有4个与转子相关的接线端。

定子的电磁部分由绕组和铁芯组成。定子绕组有两个，分别称为定子励磁绕组（其引线端常标示为D1、D2，字母D表示定子）和定子交轴绕组（其引线端常标示为D3、D4）。两个绕组均匀布置在定子槽中，结构上完全相同，而且两绕组的轴线在空间互成90°。

定子铁芯由导磁性能良好的硅钢片叠压而成，定子硅钢片内圆处冲有一定数量的槽，用以嵌放定子绕组。定子铁芯外圆要和机壳内圆配合，机壳、端盖等部件起支撑作用，是旋转电动机的机械部分，采用经阳极氧化处理的铝合金材料。定子绕组的D1、D2、D3、D4端使用导线直接连接到接线盒的固定端子上。接线盒中共有4个与定子相关的接线端，加上4个与转子相关的接线端，因此在接线盒中共有8个接线端与外界相连。

（2）工作原理

旋转变压器(resover)包含三个绕组，即一个转子绕组和两个定子绕组。转子绕组随马达旋转，定子绕组位置固定且两个定子互为90度角(如图1所示)。这样，绕组形成了一个具有角度依赖系数的变压器。

将施加在转子绕组上的正弦载波耦合至定子绕组，对定子绕组输出进行与转子绕组角度相关的幅度调制。由于安装位置的原因，两个定子绕组的调制输出信号的相位差为90度。 通过解调两个信号可以获得马达的角度位置信息，首先要接收纯正弦波及余弦波，然后将其相除得到该角度的正切值，最终通过“反正切”函数求出角度值。

为了使分析更加直观，将旋转变压器的实物图进行简化，得到其原理图，作为分析的依据，如图所示：

D1D2为定子励磁绕组，加在定子励磁绕组上的励磁电压为单相交流电压，交流电压有效值设为Uf。假定在分析的时刻，单相交流励磁电压的方向为上正下负，即D1为正，而D2为负，所以这时在定子励磁绕组D1D2中产生了励磁电流，励磁电流的方向由上到下。由于励磁电压为单相交流电压，所以励磁电流为单相交流电流，或者称为脉振电流。根据电磁感应理论，单相交流电流会产生一个单相交流励磁磁场，或者称为脉振磁场。假设定子励磁绕组D1D2的绕线方向，从上往下为顺时针螺旋方向，根据右手螺旋定则判断，在分析的时刻，脉振磁场的方向沿励磁绕组的轴线方向垂直向下。

励磁绕组或者直轴绕组D1D2的轴线方向称为直轴，即d轴（dirECt）。直轴励磁磁场或者脉振磁场的大小用磁通量的幅值表示，标为Φd，又称为直轴脉振磁通幅值。直轴脉振磁通的方向与励磁绕组轴线方向一致。另外一套定子绕组称为定子交轴绕组D3D4。两绕组的轴线在空间互成90°。交轴绕组D3D4的轴线方向称为交轴，即q轴（qUa drature）。

根据电磁感应理论，变化的磁场会感应出电动势。直轴脉振磁场是一个变化的磁场，会在所有与其匝链的绕组中产生感应电动势。在旋转变压器的4个绕组中，交轴绕组D3D4的轴线与直轴脉振磁场垂直，没有磁力线穿过绕组，因而没有感应电动势。而直轴绕组D1D2，正弦输出绕组Z1Z2，余弦输出绕组Z3Z4均会产生感应电动势。直轴绕组D1D2的感应电动势Ef与励磁电压Uf平衡，即Ef=Uf。正弦输出绕组Z1Z2和余弦输出绕组Z3Z4的感应电动势在开路情况下直接向外输出电压。输出电压的有效值为Uz和Uy，分别等于正弦输出绕组Z1Z2和余弦输出绕组Z3Z4的感应电动势的有效值Ez和Ey，即Uz=Ez，Uy=Ey。

直轴脉振磁场在与其方向一致的直轴绕组中产生的感应电动势的有效值为：

式中，Nd为定子直轴绕组的匝数；Kd为定子直轴绕组的基波绕组系数；Φd为定子直轴绕组的脉振磁通幅值。

直轴磁通与转子的正弦输出绕组匝链，并在其中产生感应电势Ez。与普通变压器比较，其励磁绕组相当于变压器的一次侧，正弦输出绕组相当于变压器的二次侧。而区别仅在于正弦输出绕组所匝链磁通量的多少取决于它和励磁绕组之间的相对位置。设转子正弦输出绕组的轴线和交轴之间的夹角a为转子转角，如图所示：

为了求得正弦输出绕组的开路电压，可先将直轴磁通幅值分解为两个分量：第一个分量为磁通Φz，它和正弦输出绕组的轴线方向一致，并在该绕组中产生感应电势Ez；感应电势Ez为：

式中，Nz为转子正弦输出绕组的匝数；Kz为转子正弦输出绕组的基波绕组系数；Φz为转子正弦输出绕组的脉振磁通幅值。

直轴磁通幅值的第二个分量为磁通Φy，它和余弦输出绕组的轴线方向垂直，并在该绕组中产生感应电势Ey。感应电势Ey为：

式中，Ny为转子余弦输出绕组的匝数，与转子正弦输出绕组相同；Ky为转子余弦输出绕组的基波绕组系数，与转子正弦输出绕组相同；Φy为转子余弦输出绕组的脉振磁通幅值。

根据三角关系，有：

因此，正弦输出绕组的开路电压为：

余弦输出绕组的开路电压为：

将Φd用式（4-1）替换掉，可以得到正弦输出绕组和余弦输出绕组的开路电压Uz和Uy的常用表达形式，即：

式中，Ku为变比系数

，是旋转变压器制造时所确定的常数。变比系数的测定可以取α为90°，则变比系数为Ku=Uz/Uf。可以看出，在正、余弦旋转变压器中，当转子正弦输出绕组空载，又励磁电压恒定时，其正弦输出绕组输出电压将与转子转角呈正弦函数关系，同样的，转子余弦输出绕组的空载输出电压将与转子转角呈余弦函数关系。

（3）旋转变压器的技术指标

1.零位电压U0
正、余弦旋转变压器的转子处于电气零位时的输出电压的大小，称为零位电压。电气零位包括转子转角为0°的情况，还包括转子转角为90°、180°、270°的情况。转子转角处于这些位置时，或者正弦输出绕组，或者余弦输出绕组，总有一个的输出电压为最小值。理想的零位电压值U0=0。实际中由于制造和装配的原因，在转子转角为零时，输出电压都存在一个小的非零值。旋转变压器的最大零位电压应不超过规定值。零位电压过高将引起外接的运算放大器饱和失真。

2.零位误差θ0
正、余弦旋转变压器的励磁绕组外施额定的单相交流电压励磁，且交轴绕组短接，交轴绕组短接是为了进行一次侧补偿。转动转子使两个输出绕组中任意一个的输出电压为最小值，这时转子位置称为电气零位。在理论电气零位位置，转子转角为0°、90°、180°、270°。零位误差是实际的电气零位与理论电气零位之差，以角分表示，符号为′。零位误差的大小将直接影响到解算装置和角度传输系统的精度。

3.函数误差fe
正余弦旋转变压器的励磁绕组外施额定单相交流电压励磁，且交轴绕组短接。在不同的转子转角位置时，转子上正弦输出绕组的感应电势与理论的正弦函数值之差值，称为函数误差。函数误差也可以定义为在不同的转子转角位置时，转子上余弦输出绕组的感应电势与理论的余弦函数值之差值。函数误差还可以用其他形式表示。差值对最大理论输出电压之比，称为相对函数误差。函数误差在实践中为了更加直观，常折算成相应的角度误差来表示。

4.额定参数
额定参数包括额定电压、额定频率、变比系数等工作参数。额定电压是指励磁绕组应加的电压值，有12V、26V、36V等几种。额定频率指励磁电压的频率，有50Hz和400Hz等几种。选择时，应根据自己的需要，一般50Hz工频的使用起来比较方便，但性能会差一些；而400Hz的性能较好，但成本较高。变比系数指在励磁绕组上加上额定频率的额定电压时，与励磁绕组轴线一致的正弦输出绕组的开路输出电压与励磁电压的比值，有0.15、0.56、0.65、0.78和1等几种典型值。

3.旋转变压器的应用

旋转变压器的接口电路，或者称为分解器数字变换器，实现了模拟量信号到控制系统数字量的转换。分解器是旋转变压器的另外一种叫法，因为旋转变压器输出正弦信号和余弦信号，其实就是一种信号的正交分解形式。分解器数字变换器，英文名称Resolver-to-DigitalCon-verter，简称RDC。
随着电子技术的飞速发展，RDC发展成为一系列的单片集成电路，从而弥补了过去由分立元件搭成的RDC体积大、可靠性低的不足，给工程应用带来了极大的方便。由旋转变压器和RDC单片集成电路就可以构成高精度的转角位置检测系统，可以直接输出数字化形式的转角位置信息，配合主控芯片使用十分合适。

RDC单片集成电路系列有AD2S1200、AD2S1205、AD2S44、AD2S80A、AD2S83、AD2S90、AD2S90、RDC174等芯片。其中AD2S83、AD2S90两种芯片的应用范围比较广。下面重点介绍AD2S83芯片。

（1）AD2S83芯片简介
AD2S83功耗低（300mW），其数字输出分辨率可被用户设置成10位，12位，14位或16位，并具有与速度成正比的直流速度输出信号可供用户使用，以取代测速发电动机等测速元件，从而缩小了系统的体积。

AD2S83可以构成跟踪式RDC，其数字输出能以选取的最大跟踪速率自动跟踪轴角输入，没有静态误差。它把旋转变压器信号转换为二进制数时，采用比率式跟踪方法，输出数字角仅与正弦和余弦输入信号的比值有关，而与它们的绝对值大小无关，因此，AD2S83对输入信号的幅值和频率变化不敏感，不必使用稳定、精确的振荡器来产生参考信号，而仍能保证精确度。转换环路中相敏检测器的存在保证了对参考信号中的杂波分量有很高的抑制能力。另外，它抑制噪声、谐波的能力强。AD2S83可由用户选择相应的参数来优化整个系统的性能。

AD2S83引脚分布如图所示：

（2）AD2S83芯片外围电路

AD2S83芯片外围电路如图所示。速度输出与位置检测电路设计的关键，就是要正确地选择AD2S83的外围元件。AD2S83外围元件的选用原则是选择最接近理想值的元件，并工作于允许的温度范围内。元件最大误差等级不能超过5%。

AD2S83芯片外围电路主要有高频滤波电路、参考信号电路、增益比例电路、偏置调节电路、带宽选择电路、跟踪速率选择电路、VCO相位补偿电路。下面逐一介绍AD2S83外围元件参数的确定方法。

高频滤波电路由C1、C2、R1、R2组成，作用是减少进入到AD2S83信号中的噪声，因为它们影响芯片内部相敏检测器的输出。噪声来源很有可能来自开关电源，对于此类电源应注意比较同种规格的产品，选择纹波幅度较低和毛刺较少的一种。并且在开关电源输出口处并联使用两个滤波电容，一个滤波电容容量应在47μF之上，滤除低频噪声；另一个滤波电容容量应在0.1μF之下，用于滤除高频噪声，也就是所谓的毛刺。同时在芯片电源入口处并联使用两个滤波退耦电容，推荐值为10μF和100μF。

参考信号电路由R3、C3组成，作用是保证参考频率没有明显的相位移，参考频率就是旋转变压器励磁信号的频率。当取R2=R3，C1=C3时，R1、C2可以省略。除了这种情况之外，R1，R2，C1，C2的推荐值为：

fREF指的是参考信号的频率。一种典型的情况是fREF=5kHz，在这种情况下，元件具体值为R1=R2=15kΩ，C1=C2=2.2nF。
R3，C3的推荐值为：

R3是以欧姆（Ω）为单位代入相应的数值，C3的计算结果以标准单位法（F）为单位。在fREF=5kHz情况下，C3=100nF。

增益比例电路由R4组成。R4的参数值有两种情况：

偏置调节电路由R8和R9组成，作用是为了减小零点漂移。积分器输入端的漂移与偏置电流会引起变换器输出端额外的位置漂移，如果可以接受这个漂移误差，大约最大为5.3角分，则可省略R8，R9。对于精度要求较高的场合，则推荐值为：

调零的步骤是，首先选择好AD2S83的外围元件，并断开AD2S83与旋转变压器的连接，然后短接COSI/P引脚与REF端，短接SINI/P与SIGNALGROUnD两个引脚，加上芯片电源、参考信号，调节电位器R9，使数字输出为全“0”，然后把电位器采取固定措施或者换上一个相同阻值的固定电阻。

最大跟踪速率选择电路由R6组成，作用是设置变换器的跟踪速率。R6推荐值为：

T是与最大跟踪速率有关的常数。n是一个常数，取决于特定的分辨率。在最大跟踪速率为260rps，并且分辨率为12位的情况下，R6=130kΩ。

带宽选择电路由C4、C5和R5组成，作用是设置工作带宽。C4的推荐值为：

fBW即芯片工作带宽，以赫兹为单位代入数值。R6以欧姆为单位代入数值。C4的计算结果以标准单位法（F）为单位。
C5的推荐值为：C5=5×C4

在工作带宽fBW为520Hz的情况下，C4=1.2nF，C5=6.2nF，R5=200kΩ。

VCO相位补偿电路由C6、R7、C7组成，作用是进行VCO相位补偿。VCO即Voltage ControlledOscillator，意为压控振荡器，作用是产生所需的跟踪速率。C6、R7应尽量靠近VCO O/P，即引脚41，C6、R7、C7的推荐值为：

（3）AD2S83工作过程

旋转变压器的正弦输出绕组电压信号接入SINI/P引脚7，余弦输出绕组电压信号接入COSI/P引脚4，励磁绕组电压信号接入REF端。旋转变压器的两个信号接地端应连到SIG-NALGROUnD引脚6，以减少正、余弦信号间的耦合。另外，旋转变化的正、余弦信号以及参考信号最好分别使用双绞屏蔽线。变换器的数据输出DB1～DB16通过外部锁存器接单片机的数据总线或者预留的IO口，输出数字信号为5V电平。

在控制系统中，旋转变压器常用做高精度的角度检测元件，其误差可为3′～5′。同样作为角度检测元件的光电编码器更为精密，可以做到1′～2′，但对户外及恶劣环境下使用提出较高的保护要求。旋转变压器则没有这种限制，因而广泛地使用在飞机、火炮等恶劣环境中。旋转变压器还用做解算装置作为解算元件，可以执行电气运算，如矢量分解运算、反正弦函数运算、乘法运算、除法运算等。