旋转变压器原理及应用电路设计

1. 简介

旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化，并与之保持一定函数关系。

旋变特别适合于振动、加速、灰尘、油污多的车内环境使用。

相比之下，光学编码器对振动敏感，对油污、灰尘等环境敏感，跟踪转速低。

其汽车应用受到限制。

2.旋变种类

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。

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。

比例式旋转变压器

其输出电压与转角成比例关系

XF-XC-XB组成的角度数据传输系统

这些旋转变压器的用途主要是用来进行坐标变换、 三角函数计算和数据传输、将旋转角度转换成信号电压, 等等。

采用多极对是为了提高系统精度

出于可靠性的考虑，目前基本采用无刷型。

3.工作原理

正余弦变压器

一、基本结构

二、工作原理

1. 空载运行分析

上式表明，旋转变压器空载时其输出电压分别是转角的余弦函数和正弦函数，这样转子绕组R1-R2就称为余弦输出绕组，而绕组R3-R4称为正弦输出绕组。

2. 负载运行分析

当输出绕组接了负载以后，其输出电压便不再是转角的正、余弦函数。

例如在图1-2中，正弦输出绕组R3-R4接有负载，其输出电压如图1-3所示，它偏离了期望的正弦值，这种现象称为输出特性的畸变。

畸变是必须消除的，下面首先分析畸变产生的原因，然后介绍消除畸变的措施。

为了消除畸变，就必须设法消除交轴磁通的影响。

消除的方法有两种，即一次侧补偿和二次侧补偿。

（3）一、二次侧同时补偿

原边和副边都补偿时的正余弦旋转变压器此时其四个绕组全部用上,转子两个绕组接有外接阻抗ZL和Z′, 允许ZL有所改变。

和前述的两种方法比较, 采用一、二次侧同时补偿的方法,结合了两种补偿的优点，实际效果更好。

线性旋转变压器

线性旋转变压器的输出电压与转角成正比。

当转角θ很小时，

当转角θ较大时，这种线性函数关系便不再适用。

事实上，对正余弦旋转变压器的连线进行适当改接，可以得到较大转角范围内输出电压与转角呈正比关系的线性旋转变压器。

当变压比ku取为0.56～0.59之间, 则转子转角θ在±60°范围内,输出电压UR2 随转角θ的变化将呈良好的线性关系。

曲线如下图所示。

特种函数旋转变压器

特种函数旋转变压器是一种新型的旋转变压器，它可以实现与转角成正割函数、弹道函数、对数函数等特殊函数的电压输出，在装置中可以替代体积庞大、结构复杂、制造困难的凸轮和劈锥等机构，也是自动控制系统中使用较为广泛的精密元件。

特殊函数旋转变压器的结构与正余弦旋转变压器基本相同，它采用一系列含有各次谐波的绕组，使谐波磁场产生的合成电动势在任意转角位置时逼近给定函数，从而实现输出电压与转角之间成任意函数的关系。

对于含有各次谐波的同心式不等匝绕组，根据叠加原理和谐波分析的方法，在正弦分布绕组的基础上得到下列输出电压的表达式

因此，项数ν不能随意选取，ν值越大，函数逼近的计算精度就越高，但计算也越复杂，齿谐波的影响也越严重。

实际设计时应合理选择ν值，并通过与实验样机的对比进行必要的修正。

4.主要参数及性能指标

1.额定励磁电压和励磁频率 

励磁电压都采用比较低的数值，一般在10V以下。

旋转变压器的励磁频率通常采用400Hz、以及（5～10）kHz之间。

2.变压比和最大输出电压 

变压比是指当输出绕组处于感生最大输出电压的位置时，输出电压和原边励磁电压之比。

3.电气误差 

输出电动势和转角之间应符合严格的正、余弦关系。

如果不符，就会产生误差，这个误差角称为电气误差。

根据不同的误差值确定旋转变压器的精度等级。

不同的旋转变压器类型，所能达到的精度等级不同。

多极旋转变器可以达到高的精度，电气误差可以角秒（″）来计算；一般的单极旋转变压器，电气误差在（5′～15′）之内；对于磁阻式旋转变压器，由于结构原理的关系，电气误差偏大。

磁阻式旋变一般都做到两对极以上。

两对极磁阻式旋变的电气误差，一般做到60′（1°)以下。

但是，在现代的理论水平和加工条件下，增加极对数，也可以提高精度，电气误差也可控制在数角秒（″）之内。

4.阻抗  

一般而言，旋转变压器的阻抗随转角变化而变化，以及和初、次级之间相互角度位置有关。

因此，测量时应该取特定位置。

有这样4个阻抗：开路输入阻抗、开路输出阻抗、短路输入阻抗、短路输出阻抗。

在目前的应用中，作为旋转变压器负载的电子电路输入阻抗都很大，因而往往都把电路看作空载运行。

在这种情况下，实际上只给出开路输入阻抗即可。

5.相位移 

在次级开路的情况下，次级输出电压相对于初级励磁电压在时间上的相位差。

相位差的大小，随着旋转变压器的类型、尺寸、结构和励磁频率不同而变化。

一般小尺寸、频率低、极数多时相位移大，磁阻式旋变相位移最大，环形变压器式的相位移次之

6.零位电压 

输出电压基波同相分量为零的点称为电气零位，此时所具有的电压称为零位电压。

7.基准电气零位 

确定为角度位置参考点的电气零位点称作基准电气零位。

5.旋变解码电路设计

一、信号变换原理

正余弦旋变输出信号是两相正交的模拟信号，幅值随转角呈正余弦变化，频率与励磁频率一致。

但是这样的信号无法直接使用，需要将信号进行变换。

2.实时跟踪反馈测角，组成快速的数字随动系统，属于无静差系统，一般使用II型系统（离散系统中，开环脉冲传递函数G(Z)具有Z=1的极点数V作为划分系统型别的标准，类似的把V=0，1，2...的系统，成为0型、I型、II型离散系统）；

AD2S1205的II型系统环路

为了测量误差，将正弦和余弦输入分别乘以cos（ø）和sin（ø）：

       E0sinωt×sinθcosø(forS3-S1)                                 (4)

       E0sinωt×cosθsinø(forS2-S4)                                 (5)

然后，求两者之差：

       E0sinωt×（sinθcosø-cosθsinø）                         （6）

最后，使用内部产生的合成基准解调信号：

      E0（sinθcosø-cosθsinø）                        （7）

对于较小的角度误差（θ-ø），运用三角恒等式E0（sinθcosø-cosθsinø）=E0sin（θ-ø），即大致等于  E0（θ-ø）。

E0（θ-ø）  是转子角度误差和转换器数字角度输出之差。

Type-Ⅱ跟踪环路消除了误差信号。

完成该操作后，ø等于旋转角θ。

二、关于转换误差

完整系统的精度由RDC精度，以及旋变器、系统架构、线缆、激励缓冲器和正弦/余弦输入电路的误差所确定。

最常见的系统误差来源是幅度失配、信号相移、失调、加速。

此外，AD2S1205所使用的II型系统的优势在于，恒定转速下不存在角度误差，但存在加速度引起的角度误差。

三、信号调理电路设计

常见的励磁信号放大电路形式：

常见的正余弦信号调理电路：

小结：

旋变器可以为电机控制应用的位置和速度测量提供高精度、性能稳定的控制系统。

为了获得最佳的整体性能，需要将旋变器的输入输出信号做一定的调理，提供旋变器所需的驱动强度，同时将信号调理成芯片可采集范围内。

如同所有机电控制系统，设计精确系统时必须仔细地考虑到所有误差来源，确保系统设计的精度要求。

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