旋转变压器基础知识
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第一课旋转变压器
– Z生1-磁Z2场、 Z3-Z4、D3-D4无电流，不产
– 总旋结转：变由压定器子的绕气组隙D中1产-D生2的脉电振流磁在场
• 绕组电势
D1
D3
D4
Us1
D2
Z1
θ
Z4
Z3
Z2
控 空载时的旋转变压器
制
• 空载条件 • 磁场情况
电 • 绕组电势
– 磁场：在绕组轴线方向铰链绕组的磁场在
机
绕组上产生感应电势
• 输出特性畸变
Z1
θ
Z4
Bzq Z3
IR2 Bz Bzd
Z2
ZL
控 负载时的旋转变压器
制
• 负载运行
电 • 磁场情况
机 • 输出绕组电势
• 输出特性畸变
– 输出电压UR2= ER2d- ER2q
– ER2d = -ku Us1 sin θ ∝ BjCOS θ – ER2q ∝ BZ COS2 θ
Z4
E1
– E= ER2-E2= E1cosθ - E2
Z3
– 伺服电动机停止运行时，理
Z2
想运放输出为零。所以
E1cosθ - E2=0
– θ =arccos(E2 /E1)
θ D1
D3
D4 E
＞
D2
E2
控 制 电 机
精品课件！
控 制 电 机
精品课件！
控 制 电 机
D1
BD
– 合成磁场
D3
D4
• ΣBd=BD+BZd=Bj（ Bj：空载时的激磁磁场） Us1 • ΣBq= BZq= BZCOS θ
D2
• 输出绕组电势：
– ER2d= -ERsin θ， ER =4.44wRfØD ，(Bj—ØD) – ER2q= 4.44wRfØq34
第四章-旋转变压器
-6-
第四章 旋转变压器
1.正余弦旋转变压器的空载运行分析
励磁电压 U
f
脉振磁场
f
E r1 E 2 sin 感应电动势 E r2 E 2 cos
变比
ku E2 E1
E r1 k u E 1 sin E r2 k u E 1 cos
-7-
-4-
第四章 旋转变压器 §4.1 正余弦旋转变压器
一、基本结构
D1
D3 If
励磁绕组
Z3 α
Z1
余弦输出绕组
Uf
D4
补偿绕组
D2
Z2
正弦输出绕组
Z4
-5-
第四章 旋转变压器 §4.2
D1 If
正余弦旋转变压器的工作原理
励磁绕组
Z3 α
Z1
余弦输出绕组
Uf
D3
D4
补偿绕组
D2
Z2
正弦输出绕组
Z4
U f I f ( Z s jX m ) j I r 1 k u X m sin 2 0 jk X sin u m I f I r 1 ( Z r jk u X m Z l 1 )
I
r1
ku U Z s ( Z r Z l1 ) jX
第四章 旋转变压器 与普通变压器类似，可以忽略定子励磁绕组的漏 阻抗压降，空载时转子输出绕组的感应电动势在数值 上就等于输出电压，所以
U U
r1 r2
k uU k uU
f f
sin cos
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Z1-Z2 就称 为正弦输出绕组，而绕组Z3-Z4称为余弦输出绕组。
微特电机第四章旋转变压器
微特电机第四章旋转变压器1.引言旋转变压器是一种特殊类型的变压器，它采用旋转结构来实现变压变比的调节。
与传统的固定变压器相比，旋转变压器具有更大的灵活性和可调节性，可以适应不同负载条件下的电压需求。
本章将介绍微特电机公司研发的一款旋转变压器，包括其工作原理、结构设计、性能参数以及应用领域等内容。
2.工作原理旋转变压器的工作原理基于电磁感应定律和旋转结构的机械转动。
通过调整转子与固定绕组之间的相对位置，可以改变绕组之间的耦合系数，从而实现变压变比的调节。
当转子与绕组之间没有相对运动时，变压器的变比为1:1，即输入电压等于输出电压。
当转子旋转时，绕组之间的耦合系数发生变化，从而实现不同的变比输出。
3.结构设计微特电机的旋转变压器采用了先进的磁力平衡技术和高强度材料制成的磁芯。
磁芯的设计旨在减小磁场漏磁和铁心损耗，提高变压器的效率和性能。
同时，采用了特殊的绕组结构和绝缘材料，确保了电压输出的稳定性和可靠性。
除此之外，旋转变压器还配备了高精度的角度传感器和控制单元，用于实时监测和调节转子位置，保证变压器的稳定工作。
4.性能参数微特电机的旋转变压器具有以下主要性能参数：-额定功率：根据客户需求可定制，通常范围在1kVA到100kVA之间。
-输入电压范围：根据客户需求可定制，通常范围在220V到660V之间。
-输出电压范围：根据客户需求可定制，通常范围在0V到440V之间。
-效率：高达98%，具有较高的能量转换效率。
-变比调节范围：根据客户需求可定制，通常范围在1:1到1:10之间。
-响应时间：微秒级响应速度，适用于需要快速反应的应用场景。
5.应用领域微特电机的旋转变压器广泛应用于各种工业领域，包括：-变频器和电机驱动系统：用于变频器输出电压的稳定调节。
-电力系统：用于电网电压调节和负载均衡控制。
-物流设备和自动化系统：用于包括输送带、起重机和机器人在内的设备的电压供应和控制。
-光伏发电系统：用于光伏逆变器中的电压调节和能量转换。
第6章 旋转变压器
第四章 旋转变压器
图 6-3 正余弦旋转变压器的空载运行
返回
第四章 旋转变压器
E R1 = E R cosθ E R 2 = E R sin θ
Z1-Z2中 Z3-Z4中
(6-1)
式中，ER为转子输出绕组轴线与定子励磁绕组轴线重合时， 磁通 ΦD 在输出绕组中感应的电势。 假设 ΦD 在励磁绕组中感应的电势为ED，则旋转变压 器变比为：
第四章 旋转变压器
注意： 注意： ①线性旋转变压器，由于转子并非连续旋转而是仅转过一定 角度，所以一般是用软导线直接将转子绕组接到固定的接线 柱上，可以省去滑环和电刷装置，使结构简单； ②旋转变压器的精度比自整角机高，整个电机经过了精密的 加工，电机绕组也进行了特殊设计，各部分材料也进行过严 格选择和处理。
图6-5
第四章 旋转变压器
图 6 -5 副边补偿的正余弦旋转变压器
返回
第四章 旋转变压器
6.3.4 原边补偿的正余弦旋转变压器
用原边补偿的方法也可以消除交轴磁通的影响。 用原边补偿的方法也可以消除交轴磁通的影响。 接
图6-6
所示, 线图如图 6 - 6所示 此时定子 1-D2励磁绕组接通交流电 所示 此时定子D & 定子交轴绕组D 端接阻抗Z 转子Z 压 U f 1 , 定子交轴绕组 3-D4端接阻抗 ; 转子 3-Z4正弦 绕组接负载Z 并在其中输出正弦规律的信号电压; 绕组接负载 L, 并在其中输出正弦规律的信号电压 Z1-Z2 绕组开路。 绕组开路。 分析： 分析： 根据楞次定律， 根据楞次定律，旋转变压器工作时交轴磁通 Φq 34 在绕组D 中要感生电流， 在绕组 3-D4中要感生电流，该电流产生的磁通对交轴 有着强烈的去磁作用，从而达到补偿的目的。 磁通 Φ q 34 有着强烈的去磁作用，从而达到补偿的目的。
第四章 旋转变压器
jKu X m 2 cos 2
Zr Z l1 jKu2 X m 2 2 2 2 2 Z X Z Z jK X jK X sin jK X cos u m u m u m s m r l1 2 Zr Z l 2 jKu X m
2 0 jI f Ku X m sin I r1 Zr Zl1 jKu X m
i
正弦输出绕组电流、电压
I r1
Z s Z r Z l1 Z r Z l1 K u2 Z s jK u2 X m cos 2 jX m
K u U f sin
励磁回路电压方程
余弦绕组回路电压方程
K X cos I Z Z jK X 0 jI
2 f u m r2
r
l2
u
m
解得
I f Zs jX m
Ir1
jKu X m 2 sin 2
2 u
U f
Zr Z l1 jK X m Zr Z l 2 jKu2 X m sin jKuU f
第四章 旋转变压器 Resolver
本章内容：
§4-1 概述 §4-2 正余弦旋转变压器的工作原理 §4-3 线性旋转变压器 §4-4 旋转变压器的应用 §4-5 感应移相器
§4-1概述
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。
旋转变压器
复习：1、感应同步器的结构和原理应用
2、感应同步器的应用
9.3 旋转变压器及其应用
9.3.1 旋转变压器的结构与工作原理
旋转变压器的结构和两相异步电动机相似，也由定子和转子组成，分有刷和无刷两种。
在有刷旋转变压器结构中，定子和转子上分别有两个互相垂直的绕组，定子与转子铁心间有均匀气隙，转子绕组的端点通过电刷和
滑环引出。
无刷旋转变压器没有电刷和滑环，它由两部分组成：一
部分叫分解器，其结构与有刷旋转变压器基本相同；另一部分叫变
压器，它的一次绕组绕在与分解器转子轴固定在一起的线轴（由高
导磁材料制成）上，与转子一起旋转；它的二次绕组绕在与转子同
心的定子线轴（由高导磁材料制成）上。
旋转变压器是根据互感原理工作的。
9.3.2 旋转变压器的应用
利用旋转变压器作位置检测元件时，常采用鉴相工作方式，下面介绍它在数控机床相位伺服系统（闭环及半闭环伺服系统中的一种）
中的应用。
小结：1、旋转变压器的结构与工作原理
2、旋转变压器的应用
作业：7、8。
旋转变压器基础知识
旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。
当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。
它主要用于坐标变换、三角运算和角度数据传输，也可以作为两相移相器用在角度--数字转换装置中。
按输出电压与转子转角间的函数关系，我所目前主要生产以下三大类旋转变压器： 1. 正--余弦旋转变压器（XZ ）----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。
2. 线性旋转变压器（XX ）、（XDX ）----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，前者（XX ）实际上也是正--余弦旋转变压器，不同的是采用了特定的变比和接线方式。
后者（XDX ）称单绕组线性旋转变压器。
3. 比例式旋转变压器（XL ）----其输出电压与转角成比例关系。
二、 旋转变压器的工作原理由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子(旋转一周)之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律，因此，当激磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电势。
图4－3为两极旋转变压器电气工作原理图。
图中Z 为阻抗。
设加在定子绕组的激磁电压为sin ω=- Sm V V t （4—1）图 4-3 两极旋转变压器 根据电磁学原理，转子绕组12B B 中的感应电势则为sin sin sin θθω== （4－2）B s m V KV KV t （4—2）式中K ——旋转变压器的变化；—的幅值ms V V ； θ——转子的转角，当转子和定子的磁轴垂直时，θ=0。
如果转子安装在机床丝杠上，定子安装在机床底座上，则θ角代表的是丝杠转过的角度，它间接反映了机床工作台的位移。
由式(4－2)可知，转子绕组中的感应电势B V 为以角速度ω随时间t变化的交变电压信号。
其幅值sin θm KV 随转子和定子的相对角位移θ以正弦函数变化。
第四章__旋转变压器
图4-5二次侧补偿正余弦旋转变压器
二、输出特性的补偿
完全补偿应满足下式
Z r1 Z L Z r 2 Z
Z r1 Z r2
Z ZL
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 ZL 也应跟着作相应的变化，这在实际 Z 使用中存在一定难度，这是二次侧补偿存在的缺点。 二次侧补偿存在的优点：励磁电流不随转子转角而变化。因此输入 功率和输入阻抗都不随转子转角而改变。
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。
二、输出特性的补偿
1． 二次侧补偿的正余弦旋转变压器
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，称为二次测 补偿。
若 Bs和 Bc 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。
零位误差 o
3 ~ 16
线性误差
l
线性旋转变压器在工作转角范围内，不同 转角时，与最大输出电压同相的输出电压 的基波分量与理论值之差，对最大理论输 出电压之比 旋变发送机、旋变差动发送机、旋变变压 器在不同转角位置下，两个输出绕组的电 e 压比所对应的正切或余切角度与实际转角 之差 转子处于电气零位时的输出电压(由与励磁 电压频率相同，但相位相差90°的基波分 量和励磁频率奇数倍的谐波分量组成) 在规定励磁条件下，输出电压基波分量与 输入电压基波分量之间的相位差
一、正余弦旋转变压器的工作原理
励磁磁通在励磁绕组S1-S2、余弦R1-R2和正弦绕组R3-R4中感应电势分别为
Er2 4.44 fN r k 2 d cos Er1 4.44 fN r k 2 d cos(90 ) 4.44 fN r k 2 d sin Ef 4.44 fN s k1 d
带你深度了解旋转变压器
带你深度了解旋转变压器旋转变压器是一种输出电压与转子转角保持一定函数关系的感应式微电机。
它是一种将角位移转换为电信号的位移传感器，也是能进行坐标换算和函数运算的解算元件。
它由定子和转子组成。
其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。
旋转变压器的历史及发展旋转变压器是目前国内的专业名称，简称“旋变” 。
有人把它称作为“解算器”或“分解器”。
旋转变压器用于运动伺服控制系统中，作为角度位置的传感和测量用。
早期的旋转变压器用于计算解答装置中，作为模拟计算机中的主要组成部分之一。
其输出，是随转子转角作某种函数变化的电气信号，通常是正弦、余弦、线性等。
这些函数是最常见的，也是容易实现的。
在对绕组做专门设计时，也可产生某些特殊函数的电气输出。
但这样的函数只用于特殊的场合，不是通用的。
60年代起，旋转变压器逐渐用于伺服系统，作为角度信号的产生和检测元件。
三线的三相的自整角机，早于四线的两相旋转变压器应用于系统中。
所以作为角度信号传输的旋转变压器，有时被称作四线自整角机。
随着电子技术和数字计算技术的发展，数字式计算机早已代替了模拟式计算机。
所以实际上，旋转变压器目前主要是用于角度位置伺服控制系统中。
由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度，所以旋转变压器应用的更广泛。
特别是，在高精度的双通道、双速系统中，广泛应用的多极电气元件，原来采用的是多极自整角机，现在基本上都是采用多极旋转变压器。
早期的旋转变压器，由于信号处理电路比较复杂，价格比较贵的原因，应用受到了限制。
但因为旋转变压器具有无可比拟的可靠性，以及具有足够高的精度，在许多场合有着不可代替的地位，特别是在军事以及航天、航空、航海等方面。
随着电子工业的发展，电子元器件集成化程度的提高，元器件的价格大大下降；另外，信号处理技术的进步，旋转变压器的信号处理电路变得简单、可靠，价格也大大下降。
而且，又出现了软件解码的信号处理，使得信号处理问题变得更加灵活、方便。
第四章__旋转变压器
一、正余弦旋转变压器的工作原理
励磁磁通在励磁绕组S1-S2、余弦R1-R2和正弦绕组R3-R4中感应电势分别为
Ef 4.44 fN sk1d
Er2 4.44 fN r k 2d cos
Er1
4.44
fN
r k 2d
cos (90 )4.44fNr k 2d
sin
Nsk1 为定子绕组的有效匝数； Nrk2 为转子绕组的有效匝数。
Zr1 Zr2
Z ZL
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Z化L 时，补偿阻抗 也Z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。
二次侧补偿存在的优点：励磁电流不随转子转角而变化。因此输入 功率和输入阻抗都不随转子转角而改变。
一、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、比例式旋转变压 器和特殊函数旋转变压器等。
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。
第4章 旋转变压器
4.1 概 述 4.2 正余弦旋转变压器 4.3 线性旋转变压器 4.4 旋转变压器的误差分析及主要技术指标 4.5 多极旋转变压器和感应同步器
旋转变压器
应用
旋转变压器旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，适用于所有使用旋转编码器的场合，特别是 高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。由于旋转变压器以上特点，可完全替代光 电编码器，被广泛应用在伺服控制系统、机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷、航空航天、 船舶、兵器、电子、冶金、矿山、油田、水利、化工、轻工、建筑等领域的角度、位置检测系统中。也可用于坐 标变换、三角运算和角度数据传输、作为两相移相器用在角度--数字转换装置中。
图1是有刷式旋转变压器。它的转子绕组通过滑环和电刷直接引出，其特点是结构简单，体积小，但因电刷与 滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也较短。
图1有刷式旋转变压器
图2无刷式旋转变压器
图2是无刷式旋转变压器。它分为两大部分，即旋转变压器本体和附加变压器。附加变压器的原、副边铁心及 其线圈均成环形，分别固定于转子轴和壳体上，径向留有一定的间隙。旋转变压器本体的转子绕组与附加变压器 原边线圈连在一起，在附加变压器原边线圈中的电信号，即转子绕组中的电信号，通过电磁耦合，经附加变压器 副边线圈间接地送出去。这种结构避免了电刷与滑环之间的不良接触造成的影响，提高了旋转变压器的可靠性及 使用寿命，但其体积、质量、成本均有所增加。
旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，四 极绕组则各有两对磁极，主要用于高精度的检测系统。除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精度绝对式检 测系统。
分类
旋转变压器按输出电压与转子转角间的函数关系，主要分三大类旋转变压器：
1.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。
结构
旋转变压器(第6章)讲解
D2
ER1 = kμ Us1 cosθ
Z1ER1
Z4 ER2 = - kμ Us1 sinθ
Z3 ER2
Z2
上式表明当电源电压不变时，输 出电势与转子转角θ有严格的正、 余弦关系。
二、旋转变压器带载时
控制电机
D1 BD D3 Us1
实验表明，图中正弦输出绕 D4 组Z3Z4带上负载以后，其输出
电压不再是转角的正弦函数。
控制电机
ER1= 4. 44 f WRφD cosθ = ER cosθ ER2= 4. 44 f WRφD cos(θ+90o) = -ER sinθ
ER为激磁绕组和输出绕组轴线重合时磁通φD在 该输出绕组中的感应电势。
BD D1
Us1 D3
D4
ED
若φD在激磁绕组中的感应电势为 ED ，则：
D2
BZ34 θ
θ
弦关系。
Z3
BZ12 交轴磁场抵消等于零；
Z’
BZ ZL
总负载磁场与励磁磁场反向。
控制电机
副边补偿时，阻抗 Z’ 的大小与旋转变压器所带的负载 ZL 的大小有关(Z’=ZL)。这种补偿方法，对于变动的负 载阻抗，不能实现完全补偿。
原边补偿时，交轴绕组短路，这与负载阻抗无关，
因此原边补偿易于实现。
D4
D3D4对交轴磁通 q来说是一
个阻尼线圈。
D2
Z1
q θ
Z4
Z3 Z2
因为交轴磁通在绕组 D3D4中要产生感应电势及其 ZL 感应电流。
控制电机
根据楞次定律，该感应电流所产
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。
微特电机第六章 旋转变压器
改进措施：
➢ 严格加工工艺 ➢ 补偿 ➢ 正弦绕组、短距绕组 ➢ 斜槽
6.旋转变压器
双通道测角系统与多极旋转变压器
自整机角度传输系统的绝对误差为3’~2°。若用两极正余弦 旋转变压器作为发送机和接收机，传输误差可下降至1’~5’。
R2
1
R1
U f
R1'
R2'
S1
R2 2
U2
R2' S1
S2
S
' 2
6.旋转变压器
线性旋转变压器的输出特性
正常输出电压 -60~+60范围内有线性关系
加偏置后的输出电压 0~120范围内有线性关系
6.旋转变压器
旋转变压器的误差
1. 函数误差
s (%)
U U 90
sin
100%
2. 零位误差（角度）和零位电压（电压）
理论上正弦输出绕组的输出电压在=0和180时应等于 零，余弦输出绕组的输出电压在=90及270时应等于零， 对应的角度称为理论电气零位。实际输出电压为零时所对应 的角度称为实际电气零位。实际电气零位与理论电气零位之 差就称为零位误差，以角分表示。但实际上当等于上述角 度时输出电压不为零，我们称这个电压为零位电压。
1 0.51 2 4 6
2 24 720
1U 3
f
1
4 180
6 1512
ห้องสมุดไป่ตู้
1U 3
f
6.旋转变压器
略去高次项产生的误差主要决定于四次方项
4 0.001 180
可求出线性误差不超过0.1%的转子转角的范围
4 0.18 0.6514 37.3
如变比ku=0.52，则在同样精度的情况下，转 子转角范围可扩大到 60
➢ 严格加工工艺 ➢ 补偿 ➢ 正弦绕组、短距绕组 ➢ 斜槽
6.旋转变压器
双通道测角系统与多极旋转变压器
自整机角度传输系统的绝对误差为3’~2°。若用两极正余弦 旋转变压器作为发送机和接收机，传输误差可下降至1’~5’。
R2
1
R1
U f
R1'
R2'
S1
R2 2
U2
R2' S1
S2
S
' 2
6.旋转变压器
线性旋转变压器的输出特性
正常输出电压 -60~+60范围内有线性关系
加偏置后的输出电压 0~120范围内有线性关系
6.旋转变压器
旋转变压器的误差
1. 函数误差
s (%)
U U 90
sin
100%
2. 零位误差（角度）和零位电压（电压）
理论上正弦输出绕组的输出电压在=0和180时应等于 零，余弦输出绕组的输出电压在=90及270时应等于零， 对应的角度称为理论电气零位。实际输出电压为零时所对应 的角度称为实际电气零位。实际电气零位与理论电气零位之 差就称为零位误差，以角分表示。但实际上当等于上述角 度时输出电压不为零，我们称这个电压为零位电压。
1 0.51 2 4 6
2 24 720
1U 3
f
1
4 180
6 1512
ห้องสมุดไป่ตู้
1U 3
f
6.旋转变压器
略去高次项产生的误差主要决定于四次方项
4 0.001 180
可求出线性误差不超过0.1%的转子转角的范围
4 0.18 0.6514 37.3
如变比ku=0.52，则在同样精度的情况下，转 子转角范围可扩大到 60
旋转变压器全面详解
可以证明, 当定子交轴绕组外接阻抗Z等于励磁电源内阻抗Zn, 即Z=Zn时, 由转子电流所引起的输出特性畸变可以得到完全的补偿。 因为一般电源
内阻抗Zn值很小, 所以实际应用中经常把交轴绕组直接短路, 同样可以达
到完全补偿的目的。
第6章 旋转变压器第6章 旋转变压器
6.3.5 原、 副边都补偿的正余弦旋转变压器
应移相器如何分别被用作精密位移测量和移相的元件。
第6章 旋转变压器第6章 旋转变压器
6.2 旋转变压器的结构特点
旋转变压器的典型结构与一般绕线式异步电动机相似。
它由定子和转子两大部分组成, 每一大部分又有自己的电磁
部分和机械部分, 如图 6 - 1所示, 下面以正余弦旋转变压器的
典型结构分析之。
第6章 旋转变压器第6章 旋转变压器
kuU s1 Z Z
cos
(6 - 9)
第6章 旋转变压器第6章 旋转变压器
将式(6 - 9)代入式(6 - 8)得以下两式:
FR1q
KIR1 sin
K
kuU s1 cos
Z Z
sin
FR 2 q
KIR2
c os
K
kuU s1 sin
ZL Z
c os
(6 - 10) (6 - 11)
第6章 旋转变压器第6章 旋转变压器
XX)以及比例式旋转变压器(代号为XL)。其中, 正余弦旋转变压器的输出
电压与转子转角成正余弦函数关系; 线性旋转变压器的输出电压与转子转
角在一定转角范围内成正比; 比例式旋转变压器在结构上增加了一个锁定
转子位置的装置。
第6章 旋转变压器第6章 旋转变压器
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。 根据数据传输在系统中的 具体用途, 旋转变压器又可分为旋变发送机(代号为XF)、 旋变差动发送机 (代号为XC)和旋变变压器(代号为XB)。 其实, 这里数据传输的旋转变压 器在系统中的作用与相应的自整角机的作用是相同的。
旋转变压器基础知识
旋转变压器就是一种输出电压随转子转角变化得信号元件。
当励磁绕组以一定频率得交流电压励磁时,输出绕组得电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系,或保持某一比例关系,或在一定转角范围内与转角成线性关系。
它主要用于坐标变换、三角运算与角度数据传输,也可以作为两相移相器用在角度--数字转换装置中。
按输出电压与转子转角间得函数关系,我所目前主要生产以下三大类旋转变压器:1. 正--余弦旋转变压器(XZ)----其输出电压与转子转角得函数关系成正弦或余弦函数关系。
2. 线性旋转变压器(XX)、(XDX)----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与凸极式两种,前者(XX)实际上也就是正--余弦旋转变压器,不同得就是采用了特定得变比与接线方式。
后者(XDX)称单绕组线性旋转变压器。
3. 比例式旋转变压器(XL)----其输出电压与转角成比例关系。
二、 旋转变压器得工作原理由于旋转变压器在结构上保证了其定子与转子(旋转一周)之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律,因此,当激磁电压加到定子绕组时,通过电磁耦合,转子绕组便产生感应电势。
图4－3为两极旋转变压器电气工作原理图。
图中Z 为阻抗。
设加在定子绕组得激磁电压为 sin ω=- S m V V t (4—1) 图 4-3 两极旋转变压器 根据电磁学原理,转子绕组12B B 中得感应电势则为sin sin sin θθω== （4－2）B s m V KV KV t (4—2)式中K ——旋转变压器得变化;—的幅值m s V V ;θ——转子得转角,当转子与定子得磁轴垂直时,θ=0。
如果转子安装在机床丝杠上,定子安装在机床底座上,则θ角代表得就是丝杠转过得角度,它间接反映了机床工作台得位移。
由式(4－2)可知,转子绕组中得感应电势B V 为以角速度ω随时间t变化得交变电压信号。
其幅值sin θm KV 随转子与定子得相对角位移θ以正弦函数变化。
旋转变压器基础知识
旋转变压器基础知识旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。
当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。
它主要用于坐标变换、三角运算和角度数据传输，也可以作为两相移相器用在角度--数字转换装置中。
按输出电压与转子转角间的函数关系，我所目前主要生产以下三大类旋转变压器：1. 正--余弦旋转变压器（XZ ）----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。
2. 线性旋转变压器（XX ）、（XDX ）----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，前者（XX ）实际上也是正--余弦旋转变压器，不同的是采用了特定的变比和接线方式。
后者（XDX ）称单绕组线性旋转变压器。
3. 比例式旋转变压器（XL ）----其输出电压与转角成比例关系。
二、旋转变压器的工作原理由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子(旋转一周)之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律，因此，当激磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电势。
图4－3为两极旋转变压器电气工作原理图。
图中Z 为阻抗。
设加在定子绕组的激磁电压为sin ω=- Sm V V t （4—1）图 4-3 两极旋转变压器根据电磁学原理，转子绕组12B B 中的感应电势则为sin sin sin θθω== （4－2）B s m V KV KV t （4—2）式中K ——旋转变压器的变化；—的幅值m s V V ；θ——转子的转角，当转子和定子的磁轴垂直时，θ=0。
如果转子安装在机床丝杠上，定子安装在机床底座上，则θ角代表的是丝杠转过的角度，它间接反映了机床工作台的位移。
由式(4－2)可知，转子绕组中的感应电势B V 为以角速度ω随时间t变化的交变电压信号。
其幅值sin θm KV 随转子和定子的相对角位移θ以正弦函数变化。
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旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。
当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。
它主要用于坐标变换、三角运算和角度数据传输，也可以作为两相移相器用在角度--数字转换装置中。
按输出电压与转子转角间的函数关系，我所目前主要生产以下三大类旋转变压器： 1. 正--余弦旋转变压器（XZ ）----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。
2. 线性旋转变压器（XX ）、（XDX ）----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，前者（XX ）实际上也是正--余弦旋转变压器，不同的是采用了特定的变比和接线方式。
后者（XDX ）称单绕组线性旋转变压器。
3. 比例式旋转变压器（XL ）----其输出电压与转角成比例关系。
二、 旋转变压器的工作原理由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子(旋转一周)之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律，因此，当激磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电势。
图4－3为两极旋转变压器电气工作原理图。
图中Z 为阻抗。
设加在定子绕组的激磁电压为sin ω=- Sm V V t （4—1）图 4-3 两极旋转变压器 根据电磁学原理，转子绕组12B B 中的感应电势则为sin sin sin θθω== （4－2）B s m V KV KV t （4—2）式中K ——旋转变压器的变化；—的幅值m s V V ；θ——转子的转角，当转子和定子的磁轴垂直时，θ=0。
如果转子安装在机床丝杠上，定子安装在机床底座上，则θ角代表的是丝杠转过的角度，它间接反映了机床工作台的位移。
由式(4－2)可知，转子绕组中的感应电势B V 为以角速度ω随时间t变化的交变电压信号。
其幅值sin θm KV 随转子和定子的相对角位移θ以正弦函数变化。
因此，只要测量出转子绕组中的感应电势的幅值，便可间接地得到转子相对于定子的位置，即θ角的大小。
以上是两极绕组式旋转变压器的基本工作原理，在实际应用中，考虑到使用的方便性和检测精度等因素，常采用四极绕组式旋转变压器。
这种结构形式的旋转变压器可分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式。
1．鉴相式工作方式鉴相式工作方式是一种根据旋转变压器转子绕组中感应电势的相位来确定被测位移大小的检测方式。
如图4-4所示，定子绕组和转子绕组均由两个匝数相等互相垂直的绕组组成。
图中12S S 为定子主绕组，12K K 为定子辅助绕组。
当12S S 和12K K 中分别通以交变激磁电压时s m V V cos (43);V V sin (44)ωω--＝ ＝ t t （4—3）s m (43);V V sin (44)ω-- ＝ t t （4—4）根据线性叠加原理，可在转子绕组12B B 中得到感应电势B V ，其值为激磁电压s V 和k V 在12B B 中产生感应电势BS V 和BK V 之和，即m m m sin()cos V cos sin V sin cos V sin()θθωθωθωθ=+=-+=-+-＝ （4－5） B BS BK s k V V V KV KV K t K t K t （4—5）mm sin()cos V cos sin V sin cos V sin()θθωθωθωθ=+=-+=-+-＝ （4－5） BBS BK s k V V V KV KV K t K t K t 图 4-4 旋转变压器电气工作原理 由式(4—4)和(4—5)可见，旋转变压器转子绕组中的感应电势BV 与定子绕组中的激磁电压同频率，但相位不同，其差值为θ。
而θ角正是被测位移，故通过比较感应电势B V 与定子激磁电压信号k V 的相位，便可求出θ。
在图4—4中，转子绕组12A A接一高阻抗，它不作为旋转变压器的测量输出，主要起平衡磁场的作用，目的是为了提高测量精度。
2．鉴幅式工作方式鉴幅式工作方式是通过对旋转变压器转子绕组中感应电势幅值的检测来实现位移检测的。
其工作原理如下： 参看图4-4，设定子主绕组12S S 和辅助绕组12K K 分别输入交变激磁电压s m V V cos sin (46);V V sin sin (47)αωαω--＝ ＝ t t （4—6）s m V cos sin (46);V V sin sin (47)αωαω-- ＝ t t （4—7）式中mV cos α和m V sin α分别为激磁电压S V 和k V 的幅值。
α角可以改变，称其为旋转变压器的电气角。
根据线性叠加原理，得出转子绕组12B B 中的感应电势B V 如下： m m m sin()cos V cos sin sin V sin sin cos V sin()sin (48)θθαωθαωθαθω=+=-+=-+--＝ B BS BK s k V V V KV KV K t K t K t m sin()cos V cos sin sin V sin sin cos V sin()sin (48)θθαωθαωθαθω=+=-+=-+--＝ B BS BK s k V V V KV KV K t K t K t （4—8）由式(4-8)可以看出，感应电势B V 是幅值为m V sin()αθ-K 的交变电压信号，我们只要逐渐改变α值，使B V 的幅值等于零，这时，因m V sin()0αθ-＝ （4－9）K （4—9）故可得 ： θ=α （4—10）α值就是被测角位移θ的大小。
由于α是我们通过对它的逐渐改变，实现使B V 幅值等于零的，其值自然是应该知道的。
三、 旋转变压器的应用在旋转变压器的鉴相式工作方式中，感应信号和激磁信号Vk 之间的相位差θ角，可通过专用的鉴相器线路检测出来并表示成相应的电压信号，设为U(θ)，通过测量该电压信号，便可间接地求得θ值。
但由于是关于θ的周期性函数，U(θ)是通过比较和Vk 之值获得的，因而它也是关于θ的周期性函数，即U(θ)=U(n ×2π+θ) (n=1,2,3,…) （4—9）故在实际应用中，不但要测出U(θ)的大小，而且还要测出U(θ)的周期性变化次数n ，或者将被测角位移θ角限制在±π之内。
在旋转变压器的鉴幅式工作方式中，的幅值设为m ，由式(4--8)可知（4—10）它也是关于θ的周期性函数，在实际应用中，同样需要将θ角限制在±π之内。
在这种情况下，若规定和限制α角只能在［-π,π］内取值，利用式(4-10)，便可唯一地确定出θ之值。
否则，如θ=3π／2(＞π)，这时，α=3π／2和α=-π／2都可使m，从而使θ角不能唯一地确定，造成检测结果错误。
由上述知，无论是旋转变压器的鉴相式工作方式，还是鉴幅式工作方式，都需要将被测角位移θ角限定在±π之内，只要θ在±π之内，就能够被正确地检测出来。
事实上，对于被测角位移大于π或小于-π的情况，如用旋转变压器检测机床丝杠转角的情况，尽管总的机床丝杠转角θ可能很大，远远超出限定的±π范围，但却是机床丝杠转过的若干次小角度θi之和，即（4—11）而θi很小，在数控机床上一般不超过3°，符合-π≤θi≤π的要求，旋转变压器及其信号处理线路可以及时地将它们一一检测出来，并将结果输出。
因此，这种检测方式属于动态跟随检测和增量式检测。
基于旋转变压器的永磁同步电机高精度位置检测系统永磁同步电动机控制系统的关键技术之一是转子位置的检测，只有检测出转子实际空间位置（绝对位置）后,控制系统才能决定变频器的通电方式、控制模式及输出电流的频率和相位,以保证永磁同步电动机的正常工作。
因此在采用转子磁场定向控制方式的永磁同步电机控制系统中, 转子位置的精确可靠检测是实现矢量控制技术的关键。
在常用的光栅编码器、霍尔传感器和旋转变压器等转子位置传感器中, 旋转变压器具有耐高温、耐湿度、抗冲击性好、抗干扰能力强等突出优点，从而可以精确可靠的产生转子绝对位置信息, 因此适用于永磁同步电机数字控制系统, 满足其应用系统高性能、高可靠性的要求。
本文提及的永磁同步电机控制系统使用日本多摩川公司的正余弦转变压器检测电机转子的位置, 采用新型的旋转变压器/数字转换器ad2s80a将旋转变压器输出的模拟信号转换为数字信号。
分析了ad2s80a的工作原理,设计了位置信号检测电路，并给出了与数字信号处理器tms320lf2407a的spi通讯接口方法及程序示例。
旋转变压器的基本原理旋转变压器（简称旋变）是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。
当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正、余弦函数关系，这种旋转变压器又称为正余弦旋转变压器。
在电机控制系统中，用于测量位置信息的旋转变主要是正余弦旋转变压器。
本系统中所采用的是日本多摩川公司的正余弦旋转变压器。
这种旋变由转子和定子绕组构成，并且两者相互独立，一次和二次极线圈都绕在定子上，转子由两组相差90°线圈组成，采用无刷设计。
图1是其电气示意图。
图1 旋转变压器电气示意图旋变的输入输出电压之间的具体函数关系如下所示:设转子转动角度为θ，初级线圈电压（即励磁电压）为: er1-r2＝esin2πft式中f——励磁频率; e——信号幅度。
那么输出电压：es1-s3＝kesin2πftcosθ es2-s4＝kesin2πftsinθ式中k——传输比;θ——转子偏离原点的角度。
令θ＝ωt,即转子做匀速运动，那么其输出信号的函数曲线可表示为图2所示。
图2 旋转变压器输入输出波形图2中，输出的电压包络信号为为sinωt和cosωt，数字转换器就是通过检测这两组输出信号获取旋变位置信息的。
位置检测转换电路设计[1-2]ad2s80a 芯片简介ad2s80a是ad公司的rdc芯片ad2s80系列的一种，具有精度可调、可靠性高、状态和控制信号数字化、易与微控制器dsp相连等优点，可用于自整角机、旋转变压器、感应同步器的数字转换。
其封装形式有40管脚的dip和44管脚的lcc方形两种。
ad2s80a的分辨率有10、12、14、16 bit几种可选,可由引脚sc1 和sc2 的逻辑状态来决定。
通过选择不同的外接电阻和电容,可得到不同的带宽和跟踪速率。
ad2s80a转换电路的设计由旋转变压器的原理可知,要使旋转变压器正常工作,在其转子端必须施加一个正弦激励。
本系统中正弦激磁信号由intersil公司的icl8038芯片产生，根据永磁同步电动机控制系统的实际情况,激磁信号选取为10 khz的正弦波（即ad2s80a的参考频率），ad2s80a的分辨率选为16 bit,最大跟踪速度为16. 25 r/ s,带宽为600 hz。