1、旋轉(zhuǎn)變壓器（重點(diǎn)在于輸入輸出的關(guān)系）    伺服傳感器 按被測(cè)量分類：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、電流傳感器。位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器各有直線和旋轉(zhuǎn)角度的兩種方式。（1）旋轉(zhuǎn)變壓器概述  旋轉(zhuǎn)變壓器的發(fā)展   旋轉(zhuǎn)變壓器用于運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)中，作為角度位置的傳感和測(cè)量用。早期的旋轉(zhuǎn)變壓器其輸出，是隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角作某種函數(shù)變化的電氣信號(hào)，通常是正弦、余弦、線性等。作為角度位置傳感元件，常用的有這樣幾種：光學(xué)編碼器、磁性編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。由于制作和精度的緣故，磁性編碼器沒有其他兩種普及。光學(xué)編碼器的輸出信號(hào)是

2、脈沖，由于是天然的數(shù)字量，數(shù)據(jù)處理比較方便，因而得到了很好的應(yīng)用。早期的旋轉(zhuǎn)變壓器，由于信號(hào)處理電路比較復(fù)雜，價(jià)格比較貴的原因，應(yīng)用受到了限制。因?yàn)樾D(zhuǎn)變壓器具有無可比擬的可靠性，以及具有足夠高的精度，在許多場(chǎng)合有著不可代替的地位，特別是在軍事以及航天、航空、航海等方面。和光學(xué)編碼器相比，旋轉(zhuǎn)變壓器有這樣幾點(diǎn)明顯的優(yōu)點(diǎn)：無可比擬的可靠性，非常好的抗惡劣環(huán)境條件的能力；可以運(yùn)行在更高的轉(zhuǎn)速下。（在輸出12 bit的信號(hào)下，允許電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可達(dá)60,000rpm。而光學(xué)編碼器，由于光電器件的頻響一般在200kHz以下，在12 bit時(shí)，速度只能達(dá)到3,000rpm）；方便的絕對(duì)值信號(hào)數(shù)據(jù)輸出。&#

3、160; 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用      這些年來，隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，隨著節(jié)能減排的要求越來越高，效率高、節(jié)能顯著的永磁交流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，越來越廣泛。而永磁交流電動(dòng)機(jī)的位置傳感器，原來是以光學(xué)編碼器居多，但這些年來，卻迅速地被旋轉(zhuǎn)變壓器代替?？梢耘e幾個(gè)明顯的例子，在家電中，不論是冰箱、空調(diào)、還是洗衣機(jī)，目前都是向變頻變速發(fā)展，采用的是正弦波控制的永磁交流電動(dòng)機(jī)。目前各國(guó)都在非常重視的電動(dòng)汽車中，電動(dòng)汽車中所用的位置、速度傳感器都是旋轉(zhuǎn)變壓器。例如，驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的位置傳感、電動(dòng)助力方向盤電機(jī)的位置速度傳感、燃?xì)忾y角度測(cè)量、真空室傳送器

4、角度位置測(cè)量等等，都是采用旋轉(zhuǎn)變壓器。在應(yīng)用于塑壓系統(tǒng)、紡織系統(tǒng)、冶金系統(tǒng)以及其他領(lǐng)域里，所應(yīng)用的伺服系統(tǒng)中關(guān)鍵部件伺服電動(dòng)機(jī)上，也是用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置速度傳感器。旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。   旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu) 根據(jù)轉(zhuǎn)子電信號(hào)引進(jìn)、引出的方式，分為有刷旋轉(zhuǎn)變壓器和無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。在有刷旋轉(zhuǎn)變壓器中，定、轉(zhuǎn)子上都有繞組。轉(zhuǎn)子繞組的電信號(hào)，通過滑動(dòng)接觸，由轉(zhuǎn)子上的滑環(huán)和定子上的電刷引進(jìn)或引出。由于有刷結(jié)構(gòu)的存在，使得旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性很難得到保證。因此目前這種結(jié)構(gòu)形式的旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用的很少，我們著重于介紹無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。目前無刷旋轉(zhuǎn)變壓器有兩種結(jié)

5、構(gòu)形式。一種稱作為環(huán)形變壓器式無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，另一種稱作為磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器。     （ 1）環(huán)形變壓器式旋轉(zhuǎn)變壓器圖1表示出環(huán)形變壓器式無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)很好地實(shí)現(xiàn)了無刷、無接觸。圖中右側(cè)部分是典型的旋轉(zhuǎn)變壓器的定、轉(zhuǎn)子，在結(jié)構(gòu)上和有刷旋轉(zhuǎn)變壓器一樣的定、轉(zhuǎn)子繞組，作信號(hào)變換。左側(cè)是環(huán)形變壓器。它的一個(gè)繞組在定子上，一個(gè)在轉(zhuǎn)子上，同心放置。轉(zhuǎn)子上的環(huán)形變壓器繞組和作信號(hào)變換的轉(zhuǎn)子繞組相聯(lián)，它的電信號(hào)的輸入輸出 由環(huán)形變壓器完成。      （2）磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器圖2是一個(gè)10對(duì)極的磁阻式旋轉(zhuǎn)

6、變壓器的示意圖。磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁繞組和輸出繞組放在同一套定子槽內(nèi)，固定不動(dòng)。但勵(lì)磁繞組和輸出繞組的形式不一樣。兩相繞組的輸出信號(hào)，仍然應(yīng)該是隨轉(zhuǎn)角作正弦變化、彼此相差90°電角度的電信號(hào)。轉(zhuǎn)子磁極形狀作特殊設(shè)計(jì)，使得氣隙磁場(chǎng)近似于正弦形。轉(zhuǎn)子形狀的設(shè)計(jì)也必須滿足所要求的極數(shù)。可以看出，轉(zhuǎn)子的形狀決定了極對(duì)數(shù)和氣隙磁場(chǎng)的形狀。磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器一般都做成分裝式，不組合在一起，以分裝形式提供給用戶，由用戶自己組裝配合。      （3）  多極旋轉(zhuǎn)變壓器    圖3多極旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)

7、示意圖。圖3 a)、b) 是共磁路結(jié)構(gòu)，粗、精機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組公用一套鐵心。所謂粗機(jī)，是指單對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)變壓器，它的精度低，所以稱為粗機(jī)；精機(jī)是指多對(duì)極的旋轉(zhuǎn)變壓器，由于精度高，多對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為精機(jī)。其中圖3a) 表示的是旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子組裝成一體，由機(jī)殼、端蓋和軸承將它們連在一起。稱為組裝式，圖3b) 的定轉(zhuǎn)子是分開的，稱為分裝式。圖3c)、d) 是分磁路結(jié)構(gòu)，粗、精機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組各有自己的鐵心。其中圖4c)、d)都是組裝式，只是粗、精機(jī)位置安放的形式不一樣，圖3c) 的粗、精機(jī)平行放置，圖3d) 粗、精機(jī)是垂直放置，粗

8、機(jī)在內(nèi)腔。另外，很多時(shí)候也有單獨(dú)的多極旋轉(zhuǎn)變壓器。應(yīng)用時(shí)，若仍需要單對(duì)極的旋轉(zhuǎn)變壓器，則另外配置。     對(duì)于多極旋轉(zhuǎn)變壓器，一般都必須和單極旋轉(zhuǎn)變壓器組成統(tǒng)一的系統(tǒng)。在旋轉(zhuǎn)變壓器的設(shè)計(jì)中，如果單極旋轉(zhuǎn)變壓器和多極旋轉(zhuǎn)變壓器設(shè)計(jì)在同一套定、轉(zhuǎn)子鐵心中，而分別有自己的單極繞組和多極繞組。這種結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器。如果單極旋轉(zhuǎn)變壓器和多極旋轉(zhuǎn)變壓器都是單獨(dú)設(shè)計(jì)，都有自己的定、轉(zhuǎn)子鐵心。這種結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為單通道旋轉(zhuǎn)變壓器。  旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理  旋轉(zhuǎn)變壓器角度位置伺服控制系統(tǒng) 

9、60; 圖4是一個(gè)比較典型的角度位置伺服控制系統(tǒng)。XF稱作旋變發(fā)送機(jī)，XB稱作旋變變壓器。旋變發(fā)送機(jī)發(fā)送一個(gè)與機(jī)械轉(zhuǎn)角有關(guān)的、作一定函數(shù)關(guān)系變化的電氣信號(hào)；旋變變壓器接受這個(gè)信號(hào)、并產(chǎn)生和輸出一個(gè)與雙方機(jī)械轉(zhuǎn)角之差有關(guān)的電氣信號(hào)。伺服放大器接受選變壓器的輸出信號(hào)，作為伺服電動(dòng)機(jī)的控制信號(hào)。經(jīng)放大，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)接受方旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)軸及其它相連的機(jī)構(gòu)，直至達(dá)到和發(fā)送機(jī)方一致的角位置。旋變發(fā)送機(jī)的初級(jí)，一般在轉(zhuǎn)子上設(shè)有正交的兩相繞組，其中一相作為勵(lì)磁繞組，輸入單相交流電壓；另一相短接，以抵消交軸磁通，改善精度。次級(jí)也是正交的兩相繞組。旋變變壓器的初級(jí)一般在定子上，由正交的兩相繞

10、組組成；次級(jí)為單項(xiàng)繞組，沒有正交繞組。 應(yīng)該指出，由于結(jié)構(gòu)的關(guān)系，磁阻式旋變只有旋變發(fā)送機(jī)，沒有旋變變壓器。      工作原理前面已經(jīng)介紹過，旋轉(zhuǎn)變壓器有旋變發(fā)送機(jī)和旋變壓器之分。作為旋變發(fā)送機(jī)它的勵(lì)磁繞組是由單相電壓供電，電壓可以寫為式（1）形式：                                        

11、;                          其中，U1m勵(lì)磁電壓的幅值，勵(lì)磁電壓的角頻率。勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的交變磁通，在次級(jí)輸出繞組中感生出電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于勵(lì)磁繞組和次級(jí)輸出繞組的相對(duì)位置發(fā)生變化，因而次級(jí)輸出繞組感生的電動(dòng)勢(shì)也發(fā)生變化。又由于次級(jí)輸出的兩相繞組在空間成正交的90°電角度，因而兩相輸出電壓如式（2）所示：       

12、0;                        其中，U2Fs正弦相的輸出電壓，U2Fc余弦相的輸出電壓，U2Fm次級(jí)輸出電壓的幅值；F勵(lì)磁方和次級(jí)輸出方電壓之間的相位角，F(xiàn)發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。    可以看出，勵(lì)磁方和輸出方的電壓是同頻率的，但存在著相位差。正弦相和余弦相在電的時(shí)間相位上是同相的，但幅值彼此隨轉(zhuǎn)角分別作正弦和余弦函數(shù)變

13、化。     旋變發(fā)送機(jī)的兩相次級(jí)輸出繞組，和旋變變壓器的原方兩相勵(lì)磁繞組分別相聯(lián)。這樣，式（2）所表示的兩相電壓，也就成了旋變變壓器的勵(lì)磁電壓，并在旋變變壓器中產(chǎn)生磁通B。旋轉(zhuǎn)變壓器的單相繞組作為輸出繞組，旋變發(fā)送機(jī)次級(jí)繞組和旋變變壓器初級(jí)繞組中流過的電流為                    由這兩個(gè)電流建立的空間和成磁動(dòng)勢(shì)為       式（4）表示在旋變發(fā)送機(jī)中，合成磁動(dòng)勢(shì)的軸線總是位于

14、F角上，亦即和勵(lì)磁繞組軸線一致的位置上，和轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)。可以知道，在旋變變壓器中，合成磁動(dòng)勢(shì)的軸線相應(yīng)地也是和A相繞組距F角的位置上。只是由于電流方向相反，其方向也和在旋變發(fā)送機(jī)中相差180°。若旋變變壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為B，則其單相輸出繞組軸線和勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線夾角相差=FB。那么，輸出繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)是： 將輸出繞組在空間移過90°。這樣，在協(xié)調(diào)位置時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)為零。此時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)和失調(diào)角的關(guān)系成為正弦函數(shù)：        從圖6和式（6）可以看出，輸出電動(dòng)勢(shì)有兩個(gè)為零的位置，即0&#

15、176;和在180°。在0°和180°范圍內(nèi)，電動(dòng)勢(shì)的時(shí)間相位為正，在 180°和 360°范圍內(nèi)， 電動(dòng)勢(shì)的時(shí)間相位變化了180°。180°的這個(gè)點(diǎn)屬于不穩(wěn)定點(diǎn)，因?yàn)樵谶@個(gè)點(diǎn)上，電動(dòng)勢(shì)的梯度為負(fù)。當(dāng)有失調(diào)角時(shí)，旋變變壓器輸出繞組電動(dòng)勢(shì)不為零，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)控制伺服放大器去驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，驅(qū)使旋變變壓器和其它裝置轉(zhuǎn)到協(xié)調(diào)位置。這時(shí)，輸出繞組的輸出為零，伺服電動(dòng)機(jī)停止工作。因此，根據(jù)信號(hào)幅值大小和正、負(fù)方向工作的伺服電動(dòng)機(jī)，總是把旋變變壓器的轉(zhuǎn)軸帶到穩(wěn)定工作點(diǎn) 0°的位置上。

16、60;    旋轉(zhuǎn)變壓器單獨(dú)作為測(cè)角元件 在很多場(chǎng)合下，旋轉(zhuǎn)變壓器可以單獨(dú)作為測(cè)角元件用，直接和角度信號(hào)變換單元連接，由角度變換單元輸出角度信號(hào)數(shù)據(jù)。磁阻式旋變就是只起這個(gè)作用的。下面有關(guān)信號(hào)變換的部分將會(huì)說明。例如下圖所示，其為旋變解碼后的角度顯示：  旋轉(zhuǎn)變壓器的主要參數(shù)和性能指標(biāo)旋轉(zhuǎn)變壓器的主要指標(biāo)有以下幾個(gè)。1）  額定勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁頻率   勵(lì)磁電壓都采用比較低的數(shù)值，一般在10V以下。 旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁頻率通常采用400Hz、以及（510）kHz之間。2）

17、0;  變壓比和最大輸出電壓    變壓比是指當(dāng)輸出繞組處于感生最大輸 出電壓的位置時(shí)，輸出電壓和原邊勵(lì)磁電壓之比。3）  電氣誤差   輸出電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)角之間應(yīng)符合嚴(yán)格的正、余弦關(guān)系。如果不符，就會(huì)產(chǎn)生誤差，這個(gè)誤差角稱為電氣誤差。根據(jù)不同的誤差值確定旋轉(zhuǎn)變壓器的精度等級(jí)。不同的旋轉(zhuǎn)變壓器類型，所能達(dá)到的精度等級(jí)不同。多極旋轉(zhuǎn)變器可以達(dá)到高的精度，電氣誤差可以角秒（）來計(jì)算；一般的單極旋轉(zhuǎn)變壓器，電氣誤差在（515）之內(nèi)；對(duì)于磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器，由于結(jié)構(gòu)原理的關(guān)系，電氣誤差偏大

18、。磁阻式旋變一般都做到兩對(duì)極以上。兩對(duì)極磁阻式旋變的電氣誤差，一般做到60（1°)以下。但是，在現(xiàn)代的理論水平和加工條件下，增加極對(duì)數(shù)，也可以提高精度，電氣誤差也可控制在數(shù)角秒（）之內(nèi)。4）   阻抗   一般而言，旋轉(zhuǎn)變壓器的阻抗隨轉(zhuǎn)角變化而變化，以及和初、次級(jí)之間相互角度位置有關(guān)。因此，測(cè)量時(shí)應(yīng)該取特定位置。有這樣4個(gè)阻抗：開路輸入阻抗、開路輸出阻抗、短路輸入阻抗、短路輸出阻抗。在目前的應(yīng)用中，作為旋轉(zhuǎn)變壓器負(fù)載的電子電路阻抗都很大，因而往往都把電路看作空載運(yùn)行。在這種情況下，實(shí)際上只給出開路輸入阻抗即可。5） 

19、; 相位移   在次級(jí)開路的情況下，次級(jí)輸出電壓相對(duì)于初級(jí)勵(lì)磁電壓在時(shí)間上的相位差。相位差的大小，隨著旋轉(zhuǎn)變壓器的類型、尺寸、結(jié)構(gòu)和勵(lì)磁頻率不同而變化。一般小尺寸、頻率低、極數(shù)多時(shí)相位移大，磁阻式旋變相位移最大，環(huán)形變壓器式的相位移次之。6）  零位電壓   輸出電壓基波同相分量為零的點(diǎn)稱為電氣零位，此時(shí)所具有的電壓稱為零位電壓。  7）  基準(zhǔn)電氣零位   確定為角度位置參考點(diǎn)的電氣零位點(diǎn)稱作基準(zhǔn)電氣零位。 旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)

20、變換旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)輸出是兩相正交的模擬信號(hào)，它們的幅值隨著轉(zhuǎn)角做正余弦變化，頻率和勵(lì)磁頻率一致。這樣一個(gè)信號(hào)還不能直接應(yīng)用，這就需要角度數(shù)據(jù)變換電路，把這樣一個(gè)模擬量變換成明確的角度量，這就是RDC（ResolverDigital converter旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字變換器）電路。在數(shù)字變換中有兩個(gè)明顯的特征：為了消除由于勵(lì)磁電源幅值和頻率的變化，所引起的副邊輸出信號(hào)幅值和頻率的變化，從而造成角度誤差，信號(hào)的檢測(cè)采用正切法，即檢測(cè)兩相信號(hào)的比值：   ，這就避免了幅值和頻率變化的影響；采用適時(shí)跟蹤反饋原理測(cè)角，是一個(gè)快速的數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)，屬于無靜差系統(tǒng)。目前采用的大多

21、都是專用集成電路，例如美國(guó)AD公司的AD2S1200、AD2S1205 帶有參考振蕩器的12位數(shù)字R/D變換器以及AD2S121010到16位數(shù)字、帶有參考振蕩器的數(shù)字可變R/D變換器。圖7是旋轉(zhuǎn)變壓器和RDC的連接圖示意，位置信號(hào)和速度信號(hào)都是絕對(duì)值信號(hào)，它們的位數(shù)由RDC的類型和實(shí)際需要決定（10位到16位）。有兩種形式的輸出，串行或并行。上述的幾種RDC芯片，還可將輸出信號(hào)變換成編碼器形式的輸出，即正交的A、B和每轉(zhuǎn)一個(gè)的Z信號(hào)。勵(lì)磁電源同時(shí)接到旋轉(zhuǎn)變壓器和RDC，在RDC中作為相位的參考。        利

22、用DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）技術(shù)和軟件技術(shù)，不用RDC芯片，直接用DSP作旋轉(zhuǎn)變壓器位置和速度變換，已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。例如采用TI公司的DSP芯片TMS320F240就得到成功的應(yīng)用。用DSP實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器的解碼，具有這樣一些明顯的優(yōu)點(diǎn)：降低成本，取消了專用的RDC IC芯片；采用數(shù)字濾波器，可以消除速度帶來的滯后效應(yīng)。用軟件實(shí)現(xiàn)帶寬的變換，以折中帶寬和分辨率的關(guān)系，并使帶寬作為速度的函數(shù)；抗環(huán)境噪聲的能力更強(qiáng)。  幾種類型旋轉(zhuǎn)變壓器的比較由于結(jié)構(gòu)形式和原理的不同，在性能和抗惡劣環(huán)境條件能力上，各種類型的旋轉(zhuǎn)變壓器的特點(diǎn)不一樣。表1給出了上贏雙電機(jī)有限公司所生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)變壓器的情況

23、比較。表1 各種類型的旋轉(zhuǎn)變壓器性能、特點(diǎn)比較類型精度工藝性相位移可靠性結(jié)構(gòu)成本有刷型高差小差復(fù)雜高環(huán)變型高一般比較大好一般一般磁阻型低好大最好簡(jiǎn)單低表1指出，有刷旋轉(zhuǎn)變壓器可以得到最小的電氣誤差、最大的精度。但是由于在結(jié)構(gòu)上，存在著電的滑動(dòng)接觸，因此可靠性差；環(huán)形變壓器型的旋變，也可達(dá)到高的精度，工藝性、結(jié)構(gòu)情況、可靠性以及成本都比較好；磁阻式旋變的可靠性、工藝性、結(jié)構(gòu)性以及成本都是最好的，但精度比其它兩種低。出于可靠性的考慮，目前有刷的旋轉(zhuǎn)變壓器，基本上不被采用，而是采用無刷的旋轉(zhuǎn)變壓器。6.具體應(yīng)用      旋變是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號(hào)元件。當(dāng)勵(lì)磁繞組以一定頻率的交