摘 要：本文介紹了雖然目前已逐漸被廣泛應用，但仍未被人們所熟悉的，角度位置傳感元件—旋轉變壓器。文章對旋轉變壓器的發(fā)展、結構、原理、參數(shù)與性能指標及其信號變換做了簡單的介紹;最后對幾種類型旋轉變壓器的各方面作了比較，以供選擇、使用時參考。

⒈概述
　?、雹?旋轉變壓器的發(fā)展
　　旋轉變壓器用于運動伺服控制系統(tǒng)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(shù)變化的電氣信號，通常是正弦、余弦、線性等。這些函數(shù)是最常見的，也是容易實現(xiàn)的。在對繞組做專門設計時，也可產生某些特殊函數(shù)的電氣輸出。但這樣的函數(shù)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(tǒng)，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(tǒng)中。所以作為角度信號傳輸?shù)男D變壓器，有時被稱作四線自整角機。隨著電子技術和數(shù)字計算技術的發(fā)展，數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)在基本上都是采用多極旋轉變壓器。
　　旋轉變壓器是目前國內的專業(yè)名稱，簡稱“旋變” 。俄文里稱作“Вращающийся Трансформатор” ，詞義就是“旋轉變壓器”。英文名字叫“resolver”，根據(jù)詞義，有人把它稱作為“解算器”或“分解器”。
　　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脈沖，由于是天然的數(shù)字量，數(shù)據(jù)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。
　　隨著電子工業(yè)的發(fā)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(xiàn)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(fā)展，其優(yōu)點得到了更大的體現(xiàn)。和光學編碼器相比，旋轉變壓器有這樣幾點明顯的優(yōu)點：①無可比擬的可靠性，非常好的抗惡劣環(huán)境條件的能力;②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）;③方便的絕對值信號數(shù)據(jù)輸出。
　　⒈⒉ 旋轉變壓器的應用
　　旋轉變壓器的應用，近期發(fā)展很快。除了傳統(tǒng)的、要求可靠性高的軍用、航空航天領域之外，在工業(yè)、交通以及民用領域也得到了廣泛的應用。特別應該提出的是，這些年來，隨著工業(yè)自動化水平的提高，隨著節(jié)能減排的要求越來越高，效率高、節(jié)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?？梢耘e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(fā)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(fā)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(tǒng)、紡織系統(tǒng)、冶金系統(tǒng)以及其他領域里，所應用的伺服系統(tǒng)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。
　?、雹?旋轉變壓器的結構
　　根據(jù)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(huán)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構形式。一種稱作為環(huán)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(huán)形變壓器式旋轉變壓器
　　圖1示出環(huán)形變壓器式無刷旋轉變壓器的結構。這種結構很好地實現(xiàn)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(huán)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(huán)形變壓器繞組和作信號變換的轉子繞組相聯(lián)，它的電信號的輸入輸出 由環(huán)形變壓器完成。

A—普通旋轉變壓器 B—環(huán)形變壓器
圖1環(huán)變式旋轉變壓器結構示意

　　2）磁阻式旋轉變壓器
　　圖2是一個10對極的磁阻式旋轉變壓器的示意圖。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(shù)?？梢钥闯觯D子的形狀決定了極對數(shù)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。

圖2 磁阻式旋轉變壓器結構示意

　　3） 多極旋轉變壓器
　　圖3多極旋轉變壓器的結構示意圖。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。
　　共磁路 分磁路
　　a）組裝式 b）分裝式 c）粗精平行放置 d）粗精垂直放置

圖3多極旋轉變壓器結構示意

　　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(tǒng)一的系統(tǒng)。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。
⒉ 旋轉變壓器的工作原理
　　⒉⒈ 旋轉變壓器角度位置伺服控制系統(tǒng)
　　圖4是一個比較典型的角度位置伺服控制系統(tǒng)。XF稱作旋變發(fā)送機，XB稱作旋變變壓器。旋變發(fā)送機發(fā)送一個與機械轉角有關的、作一定函數(shù)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(fā)送機方一致的角位置。
　　旋變發(fā)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，由正交的兩相繞組組成;次級為單項繞組，沒有正交繞組。

圖4旋轉變壓器角度位置伺服控制系統(tǒng)

　　應該指出，由于結構的關系，磁阻式旋變只有旋變發(fā)送機，沒有旋變變壓器。

　?、并?工作原理
　　前面已經介紹過，旋轉變壓器有旋變發(fā)送機和旋變壓器之分。作為旋變發(fā)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：

　　 （1）

　　其中，U1m—勵磁電壓的幅值，ω—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(fā)生變化，因而次級輸出繞組感生的電動勢也發(fā)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：

　　（2）

　　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;αF—勵磁方和次級輸出方電壓之間的相位角，θF—發(fā)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(shù)變化。

圖5旋變發(fā)送機兩相輸出電壓和轉角的關系曲線

　　旋變發(fā)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(lián)。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φB。旋轉變壓器的單相繞組作為輸出繞組，旋變發(fā)送機次級繞組和旋變變壓器初級繞組中流過的電流為

　　（3）

　　由這兩個電流建立的空間和成磁動勢為

　　（4）

　　式（4）表示在旋變發(fā)送機中，合成磁動勢的軸線總是位于θF角上，亦即和勵磁繞組軸線一致的位置上，和轉子一起轉動?？梢灾?，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θF角的位置上。只是由于電流方向相反，其方向也和在旋變發(fā)送機中相差180°。若旋變變壓器轉子轉角為θB，則其單相輸出繞組軸線和勵磁磁場軸線夾角相差Δθ=θF-θB。那么，輸出繞組的感應電動勢應是：

　　（5）

　　將輸出繞組在空間移過90°。這樣，在協(xié)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(shù)：

　　（6）

圖6旋變變壓器輸出電動勢和失調角的關系曲線

　　從圖6和式（6）可以看出，輸出電動勢有兩個為零的位置，即Δθ=0°和在Δθ=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°。Δθ=180°的這個點屬于不穩(wěn)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(xié)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(jù)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(wěn)定工作點Δθ= 0°的位置上。
　?、并?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(shù)據(jù)。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。
⒊ 旋轉變壓器的主要參數(shù)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(shù)值，一般在10V以下。旋轉變壓器的勵磁頻率通常采用400Hz、以及（5～10）kHz之間。
　　2） 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(jù)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（5′～15′）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。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(xiàn)代的理論水平和加工條件下，增加極對數(shù)，也可以提高精度，電氣誤差也可控制在數(shù)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） 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(shù)多時相位移大，磁阻式旋變相位移最大，環(huán)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。
⒋旋轉變壓器的信號變換
　　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(shù)據(jù)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（Resolver Digital converter—旋轉變壓器數(shù)字變換器）電路。在數(shù)字變換中有兩個明顯的特征：①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;②采用適時跟蹤反饋原理測角，是一個快速的數(shù)字隨動系統(tǒng)，屬于無靜差系統(tǒng)。
　　目前采用的大多都是專用集成電路，例如美國AD公司的AD2S1200、AD2S1205 帶有參考振蕩器的12位數(shù)字R/D變換器以及AD2S1210 10到16位數(shù)字、帶有參考振蕩器的數(shù)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(shù)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，

圖7 旋轉變壓器和RDC的連接圖示意

　　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。
　　利用DSP（數(shù)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(xiàn)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(xiàn)旋轉變壓器的解碼，具有這樣一些明顯的優(yōu)點：①降低成本，取消了專用的RDC IC芯片;②采用數(shù)字濾波器，可以消除速度帶來的滯后效應。用軟件實現(xiàn)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(shù);③抗環(huán)境噪聲的能力更強。
⒌ 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(huán)境條件能力上，各種類型的旋轉變壓器的特點不一樣。表1給出了情況比較。
　　表1 各種類型的旋轉變壓器性能、特點比較

　　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(huán)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。