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第四章 旋转变压器工作原理：一、二次绕组的电磁感应耦合程度由转子的转角决定。
当旋转变压器的一次侧外施单相交流电压励磁时，二次侧的输出电压将与转子转角严格保持某种函数关系。
第一节 旋转变压器的结构特点和分类结构：旋转变压器的典型结构由定子和转子两部分构成。
铁心：高磁导率的铁镍软磁合金片或硅钢片经冲制、绝缘、叠装而成。
定、转子之间的气隙是均匀的，绕组：两个轴线在空间互相垂直的分布绕组。
转子绕组引出线和滑环相接，滑环应有四个，固定在转轴的一端， 分类：按照输出电压和转子转角的函数关系来分：1) 正余弦旋转变压器（代号ＸＺ） 2) 线性旋转变压器（代号ＸＸ） 3) 比例式旋转变压器（代号ＸＬ）4) 特殊函数旋转变压器（正切函数、倒数函数、圆函数、对数函数等）按照电机极对数多少来分：单极对和多极对（可以提高系统的精度）。
按照有无电刷与滑环间的滑动接触来分：接触式和无接触式两类。
第二节 正余弦旋转变压器的工作原理4.2.1正弦绕组在旋转变压器中常用的绕组有两种形式，即双层短距分布绕组和同心式正弦绕组。
双层短距分布绕组能够达到较高的绕组精度并有良好的工艺性，但在绕组中存在一定量的谐波磁动势分量，其所引起的正余弦函数的误差达0.01%-0.07%，再加上工艺因素引起的误差，使旋转变压器的精度受到一定的限制，故双层短距分布绕组只适合对精度要求不很高的旋转变压器。
同心式正弦绕组为高精度绕组，它使各次谐波削弱到相当小，正余弦函数的误差从0.06%降到0.03%以下。
缺点为工艺性差，绕组系数低。
正弦绕组是指绕组各元件的导体数沿定子内圆或转子外圆按正弦规律分布的同心式绕组。
通常有两种分布形式：第一类是绕组的轴线对准槽的中心线，第二类是绕组的轴线对准齿的中心线。
旋转变压器大都采用这两类正弦绕组。
图4-2表示了正弦绕组中各元件在空间沿转子圆周外圆分布的情况及空间磁动势的分布情况。
为了使正弦绕组中各元件匝数沿圆周按正弦分布，各元件的匝数应满足Z)i (cosN N cm ci π12-= 正弦绕组每相的总匝数为])142cos(...3cos [cos 41Z Z Z Z N N N cm Zi ci πππ-+++==∑=4.2.2 正余弦旋转变压器的工作原理正余弦旋转变压器通常为两极结构，定子和转子分别安装两套互相垂直的正弦绕组。
旋转变压器（重点在于输入输出的关系）伺服传感器按被测量分类：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、电流传感器。
位移传感器、速度传感器、加速度传感器各有直线和旋转角度的两种方式。
（1）旋转变压器概述⒈⒈旋转变压器的发展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。
作为角度位置传感元件，常用的有这样几种：光学编码器、磁性编码器和旋转变压器。
由于制作和精度的缘故，磁性编码器没有其他两种普及。
光学编码器的输出信号是脉冲，由于是天然的数字量，数据处理比较方便，因而得到了很好的应用。
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。
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。
和光学编码器相比，旋转变压器有这样几点明显的优点：①无可比拟的可靠性，非常好的抗恶劣环境条件的能力；②可以运行在更高的转速下。
（在输出12 bit的信号下，允许电动机的转速可达60,000rpm。
而光学编码器，由于光电器件的频响一般在200kHz以下，在12 bit时，速度只能达到3,000rpm）；③方便的绝对值信号数据输出。
⒈⒉旋转变压器的应用这些年来，随着工业自动化水平的提高，随着节能减排的要求越来越高，效率高、节能显著的永磁交流电动机的应用，越来越广泛。
而永磁交流电动机的位置传感器，原来是以光学编码器居多，但这些年来，却迅速地被旋转变压器代替。
可以举几个明显的例子，在家电中，不论是冰箱、空调、还是洗衣机，目前都是向变频变速发展，采用的是正弦波控制的永磁交流电动机。
目前各国都在非常重视的电动汽车中，电动汽车中所用的位置、速度传感器都是旋转变压器。
例如，驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气阀角度测量、真空室传送器角度位置测量等等，都是采用旋转变压器。
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。
摘要：本文简要介绍编码器、旋转变压器应用特点和接口方法，其中重点介绍产品通信协议和硬件接口电路以及专用的接收芯片AU5561应用方法。
编码器发展历史
早期的编码器主要是旋转变压器，旋转变压器IP值高，能在一些比较恶劣的环境条件下工作，虽然因为对电磁干扰敏感以及解码复杂等缺点而逐渐退出，但是时至今日，仍然有其特有的价值，比如作为混合动力汽车的速度反馈，几乎是不可代替的，此外在环境恶劣的钢铁行业、水利水电行业，旋转变压器因为其防护等级高同样获得了广泛的应用。
随着半导体技术的发展，后来便有霍尔传感器和光电编码器，霍尔传感器精度不高但价格便宜，而且不能耐高温，只适合用在一些低端场合，光电编码器正是由于克服了前面两种编码器的缺点而产生，它精度高，抗干扰能力强，接口简单使用方便因而获得了最广泛的应用。
编码器的生产厂家很多，这里以多摩川的产品为例进行介绍。
下面以旋转变压器、增量式编码器、绝对式编码器为例逐一进行介绍。
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，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。
按励磁方式分，多摩川旋转变压器分BRT和BRX两种，BRT是单相励磁两相输出；BRX是双相励磁单相输出。
用户往往选择BRT型的旋变，因为它易于解码。
旋转变压器解码
图4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）:ER1-R2=E*Sin2πft
f:励磁频率，E：信号幅度
那么输出电压ES1-S3=K*E*Sin2πft*Cosθ; ES2-S4=K*E*Sin2πft*Sinθ
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5所示，
图中信号频率为f，即励磁信号频率，最大幅度为E，包络信号为Sinωt和Cosωt，解码器就是通过检测这两组输出信号获取旋变位置信息的。
不难看出，励磁频率越高，旋变解码精度也就越高，而励磁电压幅度则对解码没有很明显的影响。
只需达到一定的电压数值即可,一般来讲3V~1.2倍额定电压都可满足解码需求。
多摩川为自己的旋变开发了专门的解码芯片AU6802N1，并且艾而特公司有现成的解码板可供使用，解码板支持10KHZ励磁频率，0.5的传输比，可以同时提供增量式和绝对式信号输出，增量式输出
1024C/T，采用长线输出；绝对式输出12位/T，输出采用光电隔离，必要时可以根据客户需要调整。
转换后的信号和编码器无异。
使用旋变解码板时一般要注意3个参数：传输比，励磁电压，励磁频率。
传输比是指输出电压和输入电压的比值，励磁电压就是初级绕组的输入电压，就多摩川的旋转变压器来说，允许励磁电压可以从3V 到1.2倍额定电压。
这3个参数需要完全匹配才能正常解码。
图5
增量式编码器
每转过一个单位，编码器就输出一个脉冲，故称之为增量式；
多摩川的增量式编码器输出信号有长线输出，开集输出，电压输出，推拉互补输出四种方式。
机械结构上分的话有中空轴和带轴编码器，可以满足各种不同的应用场合。
多摩川编码器型号众多，目前主要用在电梯曳引机、门机、伺服马达、数控设备等行业。
绝对式编码器
以某一点为参考原点，数据线始终输出编码器轴的当前位置偏离原点的距离的数据信息，是称绝对式编码器。
比如，一款10位BCD码输出的编码器分辨率为360C/T，那么每个单位对应1°，如果轴偏离原点一个单位，也就是处在1°的位置，那么输出0000000001，如果偏离50°，也就是在50°的位置，那么输出就是0001010000。
绝对式编码器总是输出当前位置信息。
由于这样的特点，绝对式编码器非常适合应用在跑轨迹的场合。
多摩川绝对式编码器型号齐全，从输出信号的编码方式来分类的话，有BCD码、GRAY码和纯2进制码（PB）输出；从输出方式来划分的话并行输出和串行输出；从分辨率来划分的话有从8位到36位不等。
用户可以根据自己的需要进行选择。
此外绝对式编码器还有单回转和多回转之分，多回转计圈数而单回转不计圈数，多摩川绝对式编码器单回转最多可以作到20位，多回转16位。
输出信号采用串行传送，经专用芯片转换后变为并行输出信号，可以直接送给DSP、MCU、FPGA等进行处理。
输出电路接口
对于分辨率不是很高的绝对式编码器来讲，一般适合采用并行输出，这样接口电路简单，而且通信速率高。
采用并行输出的编码器输出回路主要有集电极开路（如图1所示）和射极跟随（如图2示）两种方式。
集电极开路输出模式用户端需要加接上拉电阻，如图1中虚线所示；射极跟随模式下，则应加下拉电阻，
如图2中虚线所示。
输出数据线对应从1、2、22…2?的数据位，用户只需从数据总线直接读取编码器数据即可。
图4
图5所示是另一款转换芯片AU5688转换芯片的时针电路，R1为1MΩ，C1、C2为10PF，晶振频率8M。
该型编码器采用26LS31芯片作为输出级，因此在用户端的解码板上需要采用和26LS31对应的芯片，比如26LS32作为与转换芯片的中间接口电路。
芯片共可输出16位数据线，低12位是单回转，高4位
是多回转。
用户可以从用户数据总线上读取编码器数据。
采用该电路，波特率为2.5MB/S。
图5
图6是TS5643N50等编码器和转换芯片之间的接口电路。
用户可以通过自己的CPU等控制器下发请
求信号，编码器的输出数据通过26LS32送解码芯片转换后再经过AU5688转换为并行输出的数据，供
用户读取。
图6
图7是TS5643N353等编码器和转换芯片之间的接口电路。
编码器信号的进出都经过AU5688芯片，输出数据都是16位，12位单回转，4位多回转。
图7
此外，在通讯协议上，多摩川提供了比较完备的接口协议和用户通讯，具体内容不在此一一介绍，有兴趣的读者朋友可以来电索取资料或咨询。
绝对式编码器应用特点
旋转增量式编码器转动时输出脉冲，通过CPU计数来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。
这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，否则计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有报错后才能知道。
比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到传动马达响声，这就是CPU在找参考零点，然后才工作。
这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了绝对编码器的出现。
绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道马达位置，什么时候就去读取它的位置，不需要象增量式编码器那样去计算。
甚至编码器带有备用电池这样，断电后编码器也能记忆断电前的位置信息，大大的提高了使用绝对式编码器的安全性和可靠性。
由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。
其中最主要的就是应用在高精度的数控机床和伺服系统里面。
在西方比较发达的国家，运动控制比较侧重于轨迹控制，如果采用绝对式编码器无疑将为控制提供更方便的位置信息。
目前，多摩川已经推出最高达到36位的绝对式编码器，其中单回转20位，多回转16位。
最大响应频率可以达到52MHZ。
可以真正实现高速高精度实时控制。
此外，在有些大功率的伺服马达上，由于初始化时用普通增量式编码器测位置误差较大，所以适合用绝对值加增量式编码器找磁极位置角，这样可以大大的提高其输出力矩，目前多摩川也已经推出混合式编码器。
其增量式输出A、B、Z三相，绝对植输出24位，11单回转，13位多回转，能极大的提高伺服马达初始化时的定位精度。
同时对位置控制和速度计算也都极为方便。
