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（XX）实际上也是正-余弦

2、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。3. 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(旋转一周)之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律，因此，当激磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，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原理图。图中Z为阻抗。设加在定子绕组的激磁电压为 （41）图 4-3 两极旋转变压器根据电磁学原理，转子绕组中的感应电势则为 （42）式中K旋转变压器的变化；转子的转角，当转子和定子的磁轴垂直时，=0。如果转子安装在机床丝杠上，定子安装在机

3、床底座上，则角代表的是丝杠转过的角度，它间接反映了机床工作台的位移。由式(42)可知，转子绕组中的感应电势为以角速度随时间t变化的交变电压信号。其幅值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

4、由两个匝数相等互相垂直的绕组组成。图中为定子主绕组，为定子辅助绕组。当和中分别通以交变激磁电压时 （43） （44）根据线性叠加原理，可在转子绕组中得到感应电势，其值为激磁电压和在中产生感应电势和之和，即 （45） 图 4-4 旋转变压器电气工作原理由式(44)和(45)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。而角正是被测位移，故通过比较感应电势与定子激磁电压信号的相位，便可求出。在图44中，转子绕组接一高阻抗，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

5、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，设定子主绕组和辅助绕组分别输入交变激磁电压 （46） （47）式中和分别为激磁电压和的幅值。角可以改变，称其为旋转变压器的电气角。根据线性叠加原理，得出转子绕组中的感应电势如下： （48） 由式(4-8)可以看出，感应电势是幅值为的交变电压信号，我们只要逐渐改变值，使的幅值等于零，这时，因 （49）故可得 ： = （410）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，实现使幅值等于零的，其值自然是应该知道的。三、 旋转变压器的应用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

6、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 （410）它也是关于的周期性函数，在实际应用中，同样需要将角限制在±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，

7、如=32()，这时，=32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，但却是机床丝杠转过的若干次小角度i之和，即 （411）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

8、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

9、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

10、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:设转子转动角度为，初级线圈电压（即励磁电压）为:er1-r2esin2ft式中 f励磁频率; e信号幅度。那么输出电压：es1-s3kesin2ftcos es2-s4ke

11、sin2ftsin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数曲线可表示为图2所示。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sint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1-2ad2s80a 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、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

12、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情况,激磁信号选取为10 khz的正弦波（即ad2s8

13、0a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3ad2s80a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

14、踪转换器运行,数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spi通讯

15、    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47hc165数据输出时序图

16、0;   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

17、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