正余弦旋转变压器的工作原理

1第7章旋转变压器7.1概述7.2正余弦旋转变压器7.3线性旋转变压器7.5旋转变压器的误差分析及主要技术指标7.6多极旋转变压器和感应同步器7.4数字旋转变压器27.1概述7.1.1旋转变压器的分类7.1.2旋转变压器的结构特点3旋转变压器是自动控制装置中的一类精密控制微电机。从物理本质看，可以认为是一种可以旋转的变压器，这种变压器的原、副边绕组分别放置在定子和转子上。当旋转变压器的原边施加交流电压励磁时，其副边输出电压将与转子的转角保持某种严格的函数关系，从而实现角度的检测、解算或传输等功能。7.1概述47.1.1旋转变压器的分类按有无电刷与滑环之间的滑动接触分，可分为有刷和无刷两种。按电机的极数多少分，可分为两极式和多极式。按输出电压与转子转角间的函数关系，又可分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器和比例式旋转变压器等。根据应用场合的不同，旋转变压器又可以分为两大类：一类是解算用旋转变压器，如利用正余弦旋转变压器进行坐标变换、角度检测等，这已在数控机床及高精度交流伺服电动机控制中得以应用；另一类是随动系统中角度传输用旋转变压器，这与控制式自整角机的作用相同，也可以分为旋变发送机、旋变差动发送机和旋变变压器等，只是利用旋转变压器组成的位置随动系统，其角度传送精度更高，因此多用于高精度随动系统中。57.1.2旋转变压器的结构特点旋转变压器的基本结构与隐极转子的控制式自整角机相似。图7-1旋转变压器定、转子绕组结构示意图结构示意图绕组原理图S1-S2定子励磁绕组，S3-S4定子交轴绕组，R1-R2转子余弦输出绕组，R3-R4转子正弦输出绕组。隐极结构，定转子均为二相对称绕组。67.2正余弦旋转变压器7.2.1工作原理7.2.2输出特性的补偿7.2.3应用77.2正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器输出绕组的电压与转子转角呈正弦和余弦函数关系。7.2.1正余弦旋转变压器的工作原理1．空载运行图7-2旋转变压器的工作原理设S1-S2轴线与R1-R2轴线的夹角为。输出绕组R1-R2和R3-R4以及定子交轴绕组S3-S4开路，在励磁绕组S1-S2施加交流励磁电压，将在气隙中将产生一个脉振磁场，该脉振磁场的轴线在定子励磁绕组S1-S2的轴线上。fB8励磁磁通在励磁绕组S1-S2、正弦绕组R3-R4和余弦R1-R2中感应电势分别为sin44.4)90cos(44.4cos44.444.4mW22mW22smW22cmW11fkfNkfNEkfNEkfNEW11kNW22kN为定子绕组的有效匝数；为转子绕组的有效匝数。W11W22ukNkNK旋转变压器的变比cossinfucfusEKEEKEcossinfucfusUKEUKE忽略励磁绕组的电阻和漏抗，则ffUE7.2.1正余弦旋转变压器的工作原理输出电动势与转子转角呈严格的正、余弦关系。92．负载运行图7-3正弦绕组接负载LZ正弦输出绕组R3-R4带上负载以后，其输出电压不再是转角的正余弦函数，这种输出特性偏离正余弦规律的现象称为输出特性的畸变。在正弦绕组中感应电势作用与空载相同cossinsssqssdsBBBBBI7.2.1正余弦旋转变压器的工作原理102ms2s2W222sW222sW22sqW22sqscoscos)(2cos44.4cos44.4cos44.4xIIkNfFkfNkfNkfNE2W22m)(2kNfx为绕组电抗，为磁路的磁导。7.2.1正余弦旋转变压器的工作原理由此得出正弦输出回路的电压平衡方程式为ssLssqssZIUEE式中LsLsZIU为正弦输出绕组负载时的输出电压，sZ为正弦绕组的漏阻抗sq将在其中感应电动势11LsLsZIU2msLsscosjxZZEI得：sinfusUKE2Lmfu2LmLsfuLscos1sincos1sinZxjUKZxjZZUKU将和代入2mssqscosxIjEssLssqssZIUEE可以看出，负载时由于交轴磁场的存在，在输出电压中多出项，使旋转变压器的输出特性不再是转角的正弦函数，而是发生了畸变。并且负载阻抗越小，畸变愈严重。2LmcosZxj7.2.1正余弦旋转变压器的工作原理图7-4输出特性的畸变127.2.2输出特性的补偿1．二次侧补偿的正余弦旋转变压器畸变的原因是交轴磁场的存在。当正余弦旋转变压器一个输出绕组工作，另一个输出绕组作补偿时，称为二次侧补偿。图7-5副边补偿正余弦旋转变压器若和所产生的交轴分量互相抵消时，则旋转变压器中就不存在交轴磁通，也就消除了由交轴磁通引起的输出特性的畸变。sBcB13要达到完全补偿，正、余弦输出绕组中感应电动势的大小和相位应与空载时一样，即cossinfucfusUKEUKEZZUKZZEIZZUKZZEIcfucccLsfuLssscossin在正、余弦绕组中产生的磁场分别为θZZθUKKθBBθZZθUKKθBBsincossincossincoscfuccqLsfussq7.2.2输出特性的补偿此时，转子绕组中的电流和分别为sIcI14θZZθUKKθZZθUKKcossinsincosLsfucfu完全补偿应满足LscZZZZ所以应使scZZLZZ要达到完全补偿必须保证在任何条件下两输出绕组的负载阻抗总是相等，当负载阻抗变化时，补偿阻抗也应跟着作相应的变化，这在实际使用中存在一定难度，这是二次侧补偿存在的缺点。LZZ7.2.2输出特性的补偿152．一次侧补偿的正余弦旋转变压器7.2.2输出特性的补偿图7-6一次侧补偿的正余弦旋转变压器3S3S3S定子交轴绕组对交轴磁通来说是一个阻尼线圈。因为交轴磁通在绕组中要产生感应电流，根据楞次定律，该电流所产生的磁通是反对交轴磁通变化的，因而对交轴磁通起去磁作用，从而达到补偿的目的。43SS43SS0iZZ为励磁电源的内阻抗。iZ163．一、二次侧同时补偿的正余弦旋转变压器7.2.2输出特性的补偿图7-7一、二次侧同时补偿的正余弦旋转变压器采用一、二次侧同时补偿，副边接不变的阻抗，负载变动时副边未补偿的部分由原边补偿，从而达到全补偿的目的。177.2.3正余弦旋转变压器的应用1．用一对旋转变压器测量差角图7-8用一对旋转变压器测量差角的原理图旋变发送机转子绕组加交流励磁电压，旋变发送机和旋变变压器的定子绕组对应联接。在旋变变压器的转子绕组两端输出一个与两转轴的差角的正弦函数成正比的电动势，当差角较小时，该输出电动势近似正比于差角。因此，一对旋转变压器可以用来测量差角。43RR21187.2.3旋转变压器的应用2．用旋转变压器检测转子位置图7-9永磁交流同步伺服电动机速度控制系统框图197.3线性旋转变压器将正、余弦旋转变压器的定子和转子绕组进行改接，就可变成线性旋转变压器。线性旋转变压器输出绕组的输出电压与转子转角成线性关系。7-10线性旋转变压器原理图207.3线性旋转变压器若不计S1-S2和R1-R2绕组的漏阻抗压降，根据电动势平衡关系可得)cos1(cosuffuffKEEKEU因输出绕组的电压为sinfusLEKEUcos1sin)cos1(sinuuuffufLKKKEEKUU所以旋转变压器输出绕组的电压为fuuLcos1sinUKKU217-11线性旋转变压器输出特性曲线7.3线性旋转变压器若要求线性误差在0.1%的范围内，则范围内其输出电压可以看成是随转角的线性函数。3/60或可绘制出输出电压与转子转角的关系曲线，ku的最佳值是0.55，一般选在0.54~0.57之间。LU0.16%0.07%0.04%0.09800.06540.0491sin/32/48/64误差227.4数字式旋转变压器7.4.1概述7.4.2AD2S83芯片237.4.1概述旋转变压器应用于计算机控制的数字伺服系统中，需要一定的接口电路，通常把应用数字接口电路的旋转变压器称为数字式旋转变压器。与其他位置传感器相比，数字式旋转变压器既具有普通旋转变压器坚固耐用、抗冲击性能好、抗干扰能力强、成本低的特点，又能构直接输出数字信号、分辨率高，因而广泛应用于许多自动控制系统中。旋转变压器的接口电路，或者称为分解器数字变换器，实现了模拟信号到控制系统数字信号的转换。分解器是旋转变压器的另一种叫法，因为旋转变压器输出正弦信号和余弦信号，其实就是一种信号正交分解的形式。分解器数字变换器的英文名称为Resolver-to-DigitalConverter，简称为RDC。目前，RDC单片集成电路已有多种，如AD2S83、AD2S90等。247.4.2AD2S83芯片1.AD2S83芯片的引脚功能及特点ENABLEINHIBIT引脚号名称功能1DEMODO/P解调器输出2REFERENCEI/P参考信号输入，输入范围+12~-12V3ACERRORO/P比率乘法器输出4COS余弦信号输入，输入范围+12~-12V5ANALOGGND电源地6SIGNALGND旋转信号地7SIN正弦信号输入，输入范围+12~-12V8+Vs正电源，+12V10~25DB1~DB16并行数据输出26+VL逻辑电源，+5V27逻辑高-数据输出脚呈高阻状态逻辑低-数据脚输出有效数据28BYTESELECT逻辑高-最高有效位送DB1~DB8逻辑低-最低有效位送DB1~DB830逻辑低禁止向输出锁存器送数据ENABLEINHIBITAD2S83芯片的引脚功能25LOADDATACOMPLEMENT31DIGITALGND数字地32~33SC2~SC1选择转换器的分辨率34逻辑低-DB1~DB16为输入逻辑高-DB1~DB16为输出35低电平有效36BUSY转换忙信号，高电平时数据无效37DIRECTION表示输入信号旋转方向的逻辑值38RIPPLECLOCK正脉冲表示输出数据从全“1”变到全“0”或相反39-Vs负电源，-12V40VCOI/P压控振荡器输入41VCOO/P压控振荡器输出42INTEGRATORO/P积分器输出43INTEGRATORI/P积分器输入44DEMODI/P解调器输入LOADDATACOMPLEMENTAD2S83芯片的引脚功能（续）7.4.2AD2S83芯片267.4.2AD2S83芯片AD2S83芯片的特点：（1）提供10、12、14和16位的分辨率供用户选择。（2）通过三态输出引脚输出并行二进制数。（3）采用跟踪比率转换方式，能连续输出数据而没有转换延迟，具有较强的抗干扰和远距离传输能力。（4）用户可以通过外围阻容元件的选择来改变带宽、最大跟踪速度等动态性能。（5）具有很高的跟踪速度，10位分辨率时，最大跟踪速度可达1040r/s。（6）能产生与转速成正比的模拟信号，输出范围为±8VDC，通常线性度可达±0.1%，回差小于±0.3%，可代替传统的测速发电机，提供高精度的速度信号。277.4.2AD2S83芯片2.AD2S83芯片的典型外围电路配置图7-12AD2S83芯片外围电路的典型配置分辨率：12位参考频率：5kHz带宽：520Hz最大跟踪速度：260r/s287.4.2AD2S83芯片3.AD2S83的工作过程正弦电压信号接入SIN引脚7，余弦电压信号接入COS引脚4，励磁绕组的电压信号接入REFERENCEI/P引脚2。旋转变压器的两个接地端均接入SIGANALGND引脚6。变换器的数据输出DB1~DB16通过外部锁存器接单片机的数据总线或预留的IO口，输出数字信号为5V电平。：读取数据时，施加低电平信号，阻止内部的输出数据锁存器刷新，当被置为低电平并延迟600ns后才能读取有效数据。读完数据后，应立即释放信号，把它置为高电平，以使