帶你深度了解旋轉變壓器

旋轉變壓器是一種輸出電壓與轉子轉角保持一定函數關系的感應式微電機。它是一種將角位移轉換為電信號的位移傳感器，也是能進行坐標換算和函數運算的解算元件。

它由定子和轉子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓，轉子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應電壓。

旋轉變壓器的歷史及發展

旋轉變壓器是目前國內的專業名稱，簡稱“旋變” 。有人把它稱作為“解算器”或“分解器”。

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。早期的旋轉變壓器用于計算解答裝置中，作為模擬計算機中的主要組成部分之一。

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。這些函數是最常見的，也是容易實現的。在對繞組做專門設計時，也可產生某些特殊函數的電氣輸出。但這樣的函數只用于特殊的場合，不是通用的。

60年代起，旋轉變壓器逐漸用于伺服系統，作為角度信號的產生和檢測元件。三線的三相的自整角機，早于四線的兩相旋轉變壓器應用于系統中。

所以作為角度信號傳輸的旋轉變壓器，有時被稱作四線自整角機。隨著電子技術和數字計算技術的發展，數字式計算機早已代替了模擬式計算機。所以實際上，旋轉變壓器目前主要是用于角度位置伺服控制系統中。

由于兩相的旋轉變壓器比自整角機更容易提高精度，所以旋轉變壓器應用的更廣泛。特別是，在高精度的雙通道、雙速系統中，廣泛應用的多極電氣元件，原來采用的是多極自整角機，現在基本上都是采用多極旋轉變壓器。

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。但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。

隨著電子工業的發展，電子元器件集成化程度的提高，元器件的價格大大下降；另外，信號處理技術的進步，旋轉變壓器的信號處理電路變得簡單、可靠，價格也大大下降。而且，又出現了軟件解碼的信號處理，使得信號處理問題變得更加靈活、方便。這樣，旋轉變壓器的應用得到了更大的發展，其優點得到了更大的體現。

旋轉變壓器的工作原理

旋轉變壓器的本質是一個變壓器。關鍵參數也與變壓器類似，比如額定電壓、額定頻率、變壓比。

與變壓器不同之處是，它的一次側與二次側不是固定安裝的，而是有相對運動。隨著兩者相對角度的變化，在輸出側就可以得到幅值變化的波形。

旋變就是基于以上原理設計的：輸出信號幅值隨位置變化而變化，但頻率不變。旋變在實際應用中，設置了兩組輸出線圈，兩者相位差90度，從而可以輸出幅值為SIN與COS變化的兩組信號。

利用兩臺相同的正、余弦旋轉變壓器可組成單通道測角系統。一臺旋轉變壓器為發送機，另一臺為控制變壓器。發送機由交流電源激磁。旋轉變壓器的精度為6′，單通道系統的精度不小于6′。為了提高系統的控制精度，可采用雙通道測角系統。

用四臺結構相同的旋轉變壓器，兩臺XZ1與XZ2組成粗通道測角系統，另外兩臺XZ3與XZ4組成精通道測角系統。XZ1與XZ3、XZ2與XZ4分別通過升速比為i（i=15~30）的升速器相連接。

當主令軸帶動粗通道的XZ1轉過θ1角時，精通道的XZ3將轉過iθ1角，XZ2與負載同軸，其轉角為θ2時，XZ4的轉角為iθ2.粗通道的輸出電壓Uc1=kUr sinδ，精通道XZ4的輸出電壓為Uc2=kUrsiniδ，式中δ=θ1-θ2.二者的輸出電壓經過粗精轉換器處理后再經放大裝置驅動負載。

應用雙通道測角系統可組成雙通道伺服系統，當誤差角δ較小時用精通道信號控制，誤差角δ較大時用粗通道信號控制。

因此系統的控制精度最高可達3″~7″。為了減少減速器齒輪間隙造成的非線性誤差，可采用電氣變速式雙通道測角系統，即采用多極旋轉變壓器。

它是在一個機體內安裝單極和多極兩臺旋轉變壓器，而共用一根軸。用單極變壓器組成粗通道系統，多極旋轉變壓器組成精通道系統。這樣既能提高精度又能簡化結構。

旋轉變壓器的種類

旋轉變壓器一般結構類似于繞線型電動機，從不同的角度進行劃分可得到不同的旋轉變壓器種類或名稱。

按用途的差異可分為計算用旋轉變壓器和數據傳輸用旋轉變壓器；按輸出電壓的轉子轉角之間的函數關系差異可分為止弦旋轉變壓器、線性旋轉變壓器和比例式旋轉變壓器等；按旋轉變壓器在由其構造的轉角運算或相關變換及信號傳輸系統中的相對位置關系及具體作用可分為旋變發送機、旋變差動發送機和旋變變壓器等。

另外，也可按結構差異將旋轉變壓器分為接觸式和無接觸式(有無滑環電刷結構)；按轉子旋轉角度限制義可分為有限轉角和無限轉角兩種類型；按極對數差異又可分為單對極和多對極旋轉變壓器。

旋轉變壓器的結構

• 有刷式旋轉變壓器

它的轉子繞組通過滑環和電刷直接引出，其特點是結構簡單，體積小，但因電刷與滑環是機械滑動接觸的，所以旋轉變壓器的可靠性差，壽命也較短，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。。

• 無刷式旋轉變壓器

它分為兩大部分，即旋轉變壓器本體和附加變壓器。附加變壓器的原、副邊鐵心及其線圈均成環形，分別固定于轉子軸和殼體上，徑向留有一定的間隙。

旋轉變壓器本體的轉子繞組與附加變壓器原邊線圈連在一起，在附加變壓器原邊線圈中的電信號，即轉子繞組中的電信號，通過電磁耦合，經附加變壓器副邊線圈間接地送出去。

這種結構避免了電刷與滑環之間的不良接觸造成的影響，提高了旋轉變壓器的可靠性及使用壽命，但其體積、質量、成本均有所增加。

目前無刷旋轉變壓器有兩種結構形式。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。

• 環形變壓器式旋轉變壓器

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。

• 磁阻式旋轉變壓器

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。

旋轉變壓器的主要參數和性能指標

• 零位電壓

旋轉變壓器的輸出繞組中感應電壓最小時，轉子位置就是電氣零位，輸出電壓就是零位電壓。零位電壓也稱剩余電壓。

理想的旋轉變壓器的零位電壓等于零。實際則因為繞組分布誤差、交軸不是嚴格正交、導磁材料磁導率不均勻、磁路不對稱、干擾等因數的存在，旋轉變壓器零位電壓一般不為零，零位電壓通常應小于最大輸出電壓的0.1%，而其基波電壓通常有較大的占比，準確測量零位電壓是評價旋轉變壓器的一個重要環節。

• 相位移

相位移是指勵磁電壓與輸出電壓的基波分量之間的相位差。旋轉變壓器相位移通常超前，對于控制系統而言，相對固定的相位移是可以接受的，但是，較大的、并且不穩定的相位移則是不允許的。

一般而言，隨著基座號的上升、勵磁頻率的上升，相位移隨之減小。隨著溫度的上升，繞組電阻變大，相位移也會變大。

在控制系統中，許多時候，把相位移或相位移的變化控制在一定的范圍內，是非常有必要的。

• 變壓比

旋轉變壓器的變壓比與靜止變壓器的變比含義相同，但是，旋轉變壓器在不同轉角時，磁場耦合程度不同，輸出電壓不同。因此，旋轉變壓器的變壓比是指在規定勵磁條件下，最大空載輸出電壓的基波分量與勵磁電壓的基波分量之比。

旋轉變壓器的上述特點，給其變壓比測量帶來了一定的困難。

變壓比是旋轉變壓器的基本技術指標，一般在銘牌中標稱。

• 開路輸入阻抗

旋轉變壓器的技術指標中，在銘牌上標稱的指標一般只有兩個，一個是變壓比，另一個就是開路輸入阻抗。

旋轉變壓器的開路輸入阻抗一般在200Ω~10kΩ之間。

• 線性誤差

線性誤差是指線性旋轉變壓器在工作角度范圍內仍一轉子位置時的實際輸出電壓與理論輸出電壓的偏差。

式中：

δ1——線性誤差；

Uθ’——在轉子角度為θ時所測得的輸出電壓基波同相（與最大輸出電壓同相）分量；

Uθ——在轉子角度為θ時輸出電壓基波同相（與最大輸出電壓同相）分量的理論值；

U60——在轉子角度為60°時輸出電壓基波分量的理論值。

• 電氣誤差

電氣誤差是指轉子實際電氣角度與通過輸出測量計算獲得的電氣角度的偏差。一般不超過12′。

• 交軸誤差

原邊繞組輪流勵磁（剩下繞組短路），轉動轉子，分別測得轉子理論角度為0°、90°、180°、270°時的電氣誤差，按要求取這些電氣誤差的代數差，絕對值最大的差值為交軸誤差。

旋轉變壓器與編碼器的區別

旋轉變壓器是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件。是采用電磁感應原理工作，隨著旋轉變壓器的轉子和定子角位置不同，輸出信號可以實現對輸入正弦載波信號的相位變換和幅值調制，最終由專用的信號處理電路或者某些具備一定功能接口的DSP和單片機，根據輸出信號的幅值和相位與正弦載波信號的關系，解析出轉子和定子間的角位置關系。

典型的旋轉編碼器采用光柵原理，用光電方法進行角位置檢測，又可分為增量式和絕對式等類型。

旋轉變壓器和編碼器的主要區別如下：

1、編碼器更精確采用的是脈沖計數；旋轉變壓器就不是脈沖計數， 而是模擬量反饋。

2、編碼器多是方波輸出的，旋轉變壓器是正余弦的，通過芯片解算出相位差。

3、旋轉變壓器的轉速比較高，可以達到上萬轉，編碼器就沒那么高了。

4、旋轉變壓器的應用環境溫度是-55℃到+155℃，編碼器是-10℃到+70℃。

5、旋轉變壓器一般是增量的。

兩者根本區別在于：數字信號和模擬正弦或余弦信號的的區別。