1、旋轉變壓器（重點在于輸入輸出的關系）    伺服傳感器 按被測量分類：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角度的兩種方式。（1）旋轉變壓器概述  旋轉變壓器的發展   旋轉變壓器用于運動伺服控制系統中，作為角度位置的傳感和測量用。早期的旋轉變壓器其輸出，是隨轉子轉角作某種函數變化的電氣信號，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：光學編碼器、磁性編碼器和旋轉變壓器。由于制作和精度的緣故，磁性編碼器沒有其他兩種普及。光學編碼器的輸出信號是

2、脈沖，由于是天然的數字量，數據處理比較方便，因而得到了很好的應用。早期的旋轉變壓器，由于信號處理電路比較復雜，價格比較貴的原因，應用受到了限制。因為旋轉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。和光學編碼器相比，旋轉變壓器有這樣幾點明顯的優點：無可比擬的可靠性，非常好的抗惡劣環境條件的能力；可以運行在更高的轉速下。（在輸出12 bit的信號下，允許電動機的轉速可達60,000rpm。而光學編碼器，由于光電器件的頻響一般在200kHz以下，在12 bit時，速度只能達到3,000rpm）；方便的絕對值信號數據輸出。&#

3、160; 旋轉變壓器的應用      這些年來，隨著工業自動化水平的提高，隨著節能減排的要求越來越高，效率高、節能顯著的永磁交流電動機的應用，越來越廣泛。而永磁交流電動機的位置傳感器，原來是以光學編碼器居多，但這些年來，卻迅速地被旋轉變壓器代替。可以舉幾個明顯的例子，在家電中，不論是冰箱、空調、還是洗衣機，目前都是向變頻變速發展，采用的是正弦波控制的永磁交流電動機。目前各國都在非常重視的電動汽車中，電動汽車中所用的位置、速度傳感器都是旋轉變壓器。例如，驅動用電動機和發電機的位置傳感、電動助力方向盤電機的位置速度傳感、燃氣閥角度測量、真空室傳送器

4、角度位置測量等等，都是采用旋轉變壓器。在應用于塑壓系統、紡織系統、冶金系統以及其他領域里，所應用的伺服系統中關鍵部件伺服電動機上，也是用旋轉變壓器作為位置速度傳感器。旋轉變壓器的應用已經成為一種趨勢。   旋轉變壓器的結構 根據轉子電信號引進、引出的方式，分為有刷旋轉變壓器和無刷旋轉變壓器。在有刷旋轉變壓器中，定、轉子上都有繞組。轉子繞組的電信號，通過滑動接觸，由轉子上的滑環和定子上的電刷引進或引出。由于有刷結構的存在，使得旋轉變壓器的可靠性很難得到保證。因此目前這種結構形式的旋轉變壓器應用的很少，我們著重于介紹無刷旋轉變壓器。目前無刷旋轉變壓器有兩種結

5、構形式。一種稱作為環形變壓器式無刷旋轉變壓器，另一種稱作為磁阻式旋轉變壓器。     （ 1）環形變壓器式旋轉變壓器圖1表示出環形變壓器式無刷旋轉變壓器的結構。這種結構很好地實現了無刷、無接觸。圖中右側部分是典型的旋轉變壓器的定、轉子，在結構上和有刷旋轉變壓器一樣的定、轉子繞組，作信號變換。左側是環形變壓器。它的一個繞組在定子上，一個在轉子上，同心放置。轉子上的環形變壓器繞組和作信號變換的轉子繞組相聯，它的電信號的輸入輸出 由環形變壓器完成。      （2）磁阻式旋轉變壓器圖2是一個10對極的磁阻式旋轉

6、變壓器的示意圖。磁阻式旋轉變壓器的勵磁繞組和輸出繞組放在同一套定子槽內，固定不動。但勵磁繞組和輸出繞組的形式不一樣。兩相繞組的輸出信號，仍然應該是隨轉角作正弦變化、彼此相差90°電角度的電信號。轉子磁極形狀作特殊設計，使得氣隙磁場近似于正弦形。轉子形狀的設計也必須滿足所要求的極數。可以看出，轉子的形狀決定了極對數和氣隙磁場的形狀。磁阻式旋轉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）  多極旋轉變壓器    圖3多極旋轉變壓器的結構

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

8、機在內腔。另外，很多時候也有單獨的多極旋轉變壓器。應用時，若仍需要單對極的旋轉變壓器，則另外配置。     對于多極旋轉變壓器，一般都必須和單極旋轉變壓器組成統一的系統。在旋轉變壓器的設計中，如果單極旋轉變壓器和多極旋轉變壓器設計在同一套定、轉子鐵心中，而分別有自己的單極繞組和多極繞組。這種結構的旋轉變壓器稱為雙通道旋轉變壓器。如果單極旋轉變壓器和多極旋轉變壓器都是單獨設計，都有自己的定、轉子鐵心。這種結構的旋轉變壓器稱為單通道旋轉變壓器。  旋轉變壓器的工作原理  旋轉變壓器角度位置伺服控制系統 

9、60; 圖4是一個比較典型的角度位置伺服控制系統。XF稱作旋變發送機，XB稱作旋變變壓器。旋變發送機發送一個與機械轉角有關的、作一定函數關系變化的電氣信號；旋變變壓器接受這個信號、并產生和輸出一個與雙方機械轉角之差有關的電氣信號。伺服放大器接受選變壓器的輸出信號，作為伺服電動機的控制信號。經放大，驅動伺服電動機旋轉，并帶動接受方旋轉變壓器轉軸及其它相連的機構，直至達到和發送機方一致的角位置。旋變發送機的初級，一般在轉子上設有正交的兩相繞組，其中一相作為勵磁繞組，輸入單相交流電壓；另一相短接，以抵消交軸磁通，改善精度。次級也是正交的兩相繞組。旋變變壓器的初級一般在定子上，由正交的兩相繞

10、組組成；次級為單項繞組，沒有正交繞組。 應該指出，由于結構的關系，磁阻式旋變只有旋變發送機，沒有旋變變壓器。      工作原理前面已經介紹過，旋轉變壓器有旋變發送機和旋變壓器之分。作為旋變發送機它的勵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勵磁電壓的幅值，勵磁電壓的角頻率。勵磁繞組的勵磁電流產生的交變磁通，在次級輸出繞組中感生出電動勢。當轉子轉動時，由于勵磁繞組和次級輸出繞組的相對位置發生變化，因而次級輸出繞組感生的電動勢也發生變化。又由于次級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次級輸出電壓的幅值；F勵磁方和次級輸出方電壓之間的相位角，F發送機轉子的轉角。    可以看出，勵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間相位上是同相的，但幅值彼此隨轉角分別作正弦和余弦函數變

13、化。     旋變發送機的兩相次級輸出繞組，和旋變變壓器的原方兩相勵磁繞組分別相聯。這樣，式（2）所表示的兩相電壓，也就成了旋變變壓器的勵磁電壓，并在旋變變壓器中產生磁通B。旋轉變壓器的單相繞組作為輸出繞組，旋變發送機次級繞組和旋變變壓器初級繞組中流過的電流為                    由這兩個電流建立的空間和成磁動勢為       式（4）表示在旋變發送機中，合成磁動勢的軸線總是位于

14、F角上，亦即和勵磁繞組軸線一致的位置上，和轉子一起轉動。可以知道，在旋變變壓器中，合成磁動勢的軸線相應地也是和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送機中相差180°。若旋變變壓器轉子轉角為B，則其單相輸出繞組軸線和勵磁磁場軸線夾角相差=FB。那么，輸出繞組的感應電動勢應是： 將輸出繞組在空間移過90°。這樣，在協調位置時，輸出電動勢為零。此時，輸出電動勢和失調角的關系成為正弦函數：        從圖6和式（6）可以看出，輸出電動勢有兩個為零的位置，即0&#

15、176;和在180°。在0°和180°范圍內，電動勢的時間相位為正，在 180°和 360°范圍內， 電動勢的時間相位變化了180°。180°的這個點屬于不穩定點，因為在這個點上，電動勢的梯度為負。當有失調角時，旋變變壓器輸出繞組電動勢不為零，這個電動勢控制伺服放大器去驅動伺服電動機，驅使旋變變壓器和其它裝置轉到協調位置。這時，輸出繞組的輸出為零，伺服電動機停止工作。因此，根據信號幅值大小和正、負方向工作的伺服電動機，總是把旋變變壓器的轉軸帶到穩定工作點 0°的位置上。

16、60;    旋轉變壓器單獨作為測角元件 在很多場合下，旋轉變壓器可以單獨作為測角元件用，直接和角度信號變換單元連接，由角度變換單元輸出角度信號數據。磁阻式旋變就是只起這個作用的。下面有關信號變換的部分將會說明。例如下圖所示，其為旋變解碼后的角度顯示：  旋轉變壓器的主要參數和性能指標旋轉變壓器的主要指標有以下幾個。1）  額定勵磁電壓和勵磁頻率   勵磁電壓都采用比較低的數值，一般在10V以下。 旋轉變壓器的勵磁頻率通常采用400Hz、以及（510）kHz之間。2）

17、0;  變壓比和最大輸出電壓    變壓比是指當輸出繞組處于感生最大輸 出電壓的位置時，輸出電壓和原邊勵磁電壓之比。3）  電氣誤差   輸出電動勢和轉角之間應符合嚴格的正、余弦關系。如果不符，就會產生誤差，這個誤差角稱為電氣誤差。根據不同的誤差值確定旋轉變壓器的精度等級。不同的旋轉變壓器類型，所能達到的精度等級不同。多極旋轉變器可以達到高的精度，電氣誤差可以角秒（）來計算；一般的單極旋轉變壓器，電氣誤差在（515）之內；對于磁阻式旋轉變壓器，由于結構原理的關系，電氣誤差偏大

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

19、; 相位移   在次級開路的情況下，次級輸出電壓相對于初級勵磁電壓在時間上的相位差。相位差的大小，隨著旋轉變壓器的類型、尺寸、結構和勵磁頻率不同而變化。一般小尺寸、頻率低、極數多時相位移大，磁阻式旋變相位移最大，環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稱為電氣零位，此時所具有的電壓稱為零位電壓。  7）  基準電氣零位   確定為角度位置參考點的電氣零位點稱作基準電氣零位。 旋轉變壓器的信號

20、變換旋轉變壓器的信號輸出是兩相正交的模擬信號，它們的幅值隨著轉角做正余弦變化，頻率和勵磁頻率一致。這樣一個信號還不能直接應用，這就需要角度數據變換電路，把這樣一個模擬量變換成明確的角度量，這就是RDC（ResolverDigital converter旋轉變壓器數字變換器）電路。在數字變換中有兩個明顯的特征：為了消除由于勵磁電源幅值和頻率的變化，所引起的副邊輸出信號幅值和頻率的變化，從而造成角度誤差，信號的檢測采用正切法，即檢測兩相信號的比值：   ，這就避免了幅值和頻率變化的影響；采用適時跟蹤反饋原理測角，是一個快速的數字隨動系統，屬于無靜差系統。目前采用的大多

21、都是專用集成電路，例如美國AD公司的AD2S1200、AD2S1205 帶有參考振蕩器的12位數字R/D變換器以及AD2S121010到16位數字、帶有參考振蕩器的數字可變R/D變換器。圖7是旋轉變壓器和RDC的連接圖示意，位置信號和速度信號都是絕對值信號，它們的位數由RDC的類型和實際需要決定（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，還可將輸出信號變換成編碼器形式的輸出，即正交的A、B和每轉一個的Z信號。勵磁電源同時接到旋轉變壓器和RDC，在RDC中作為相位的參考。        利

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

23、比較。表1 各種類型的旋轉變壓器性能、特點比較類型精度工藝性相位移可靠性結構成本有刷型高差小差復雜高環變型高一般比較大好一般一般磁阻型低好大最好簡單低表1指出，有刷旋轉變壓器可以得到最小的電氣誤差、最大的精度。但是由于在結構上，存在著電的滑動接觸，因此可靠性差；環形變壓器型的旋變，也可達到高的精度，工藝性、結構情況、可靠性以及成本都比較好；磁阻式旋變的可靠性、工藝性、結構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，目前有刷的旋轉變壓器，基本上不被采用，而是采用無刷的旋轉變壓器。6.具體應用      旋變是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件。當勵磁繞組以一定頻率的交