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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

VS = Vm sin ωt
图 4-3 两极旋转变压器

(4 ? 1)

(4—1)

BB 根据电磁学原理,转子绕组 1 2 中的感应电势则为 VB = KVs sin θ = KVm sin θ sin ωt
(4—2)

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 变化的交变电压信号。 其幅值

V —Vs的幅值 ; 式中 K——旋转变压器的变化; m

VB 为以角速度ω随时间

t

KVm sin θ 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

SS KK 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 1 2 为定子主绕组, 1 2 SS K K 为定子辅助绕组。当 1 2 和 1 2 中分别通以交变激磁电压时 Vs=Vm cos ωt (4 3); Vs Vm sin ωt(4—3) 4) (4
(4—4)

t

(4 ? 3);Vs=Vm sin ωt

(4 ? 4)

BB V V V BB 根据线性叠加原理,可在转子绕组 1 2 中得到感应电势 B ,其值为激磁电压 s 和 k 在 1 2 中产生 V V 感应电势 BS 和 BK 之和,即

VB = VBS + VBK = KVs sin(?θ ) + KVk cos θ = ? KVm cos ωt sin θ + KVm sin ωt cos θ
(4—5)

=KVm sin(ωt ? θ )
图 4-4 旋转变压器电气工作原理 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 便可求出θ 。

V 由式(4—4)和(4—5)可见,旋转变压器转子绕组中的感应电势 B

V V 是被测位移,故通过比较感应电势 B 与定子激磁电压信号 k 的相位,

在图 4—4 中,转子绕组 1 2 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:

AA

SS KK 参看图 4-4,设定子主绕组 1 2 和辅助绕组 1 2 分别输入交变激磁电压 Vs=Vm cos α sin ωt (4 ? 6); Vs=Vm sin α sin ωt (4 ? 7)

Vm cos α sin ωt
式中 气角。

(4 6);Vs Vm sin α sin ωt (4—6)
(4—7)

(4 7)

Vm cos α 和 Vm sin α 分别为激磁电压VS 和Vk 的幅值。α 角可以改变,称其为旋转变压器的电

BB V 根据线性叠加原理,得出转子绕组 1 2 中的感应电势 B 如下:
VB = VBS + VBK = KVs sin( ?θ ) + KVk cos θ = ? KVm cos α sin ω t sin θ + KVm sin α sin ω t cos θ = K sin(α ?α ? θ ) t t = V V sin(θ)sinωsin ω(4?8)(4 ? 8) Km (4—8)
由式(4-8)可以看出, 感应电势 使

VB 的幅值等于零,这时,因 KVm sin(α ? θ )=0 θ =α 故可得 :

VB 是幅值为 KVm sin(α ? θ ) 的交变电压信号, 我们只要逐渐改变 α 值,
(4—9) (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 VB 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 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 [1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。由这些性能指标,根据公式可以选出外围电路元件。关于计算公式,这里不再叙述。

图 3 ad2s80a 外围电路连接框图 图 3 示出旋转变压器/数字变换器(rdc)的内部原理框图和外围电路。根据 reference i/p 引脚引入 的正弦信号 sin 和余弦信号 cos 以及 sin 引脚输入的调制信号,实现绝对角度测量。 由图 3 可知,ad2s80a 作为一个跟踪转换器运行,数码输出能以选取的最大跟踪速率自动跟踪轴角输。 因为它采用一种比率式跟踪方法,输出的数字角度只与输入的 sin 和 cos 信号比值有关,而与他们的绝对值无 关,故 ad2s80a 对输入信号的幅值和频率变化不敏感,也不必使用精确、稳定的振荡器来产生参考信号。转换 环路中相敏检测器确保了对参考信号中的正交分量有很高的抑制能力。 因具有高的噪声抑制比,可以减少从旋 转变压器到转换器 rdc 远距离长线带来的误差。16 条数据线输出口有三态输出数据锁存功能,通过对 byte select 引脚的控制,可向 8 bit 或 16 bit 数据总线传输。 位置检测模块与 dsp 的 spi 通讯 在永磁同步电机的控制系统中,为了简化电路的设计,提高位置信息读取速度,转子位置信号采用 spi 串行通讯模式传输到 dsp 中,而 ads2s80a 输出的数据为 16 位的并行数据,为了实现与 dsp 的 spi 通讯, 需要把 ads2s80a 输出的并行数据转化为串行数据。 并行数据转串行数据 并行数据转化为串行数据通过 74hc165 芯片实现。此款芯片同时只能转换 8 位数据,而 ad2s80a 输出的数 据为 16 位,从而需要将两片 74hc165 进行级联以实现 16 位并行数据转化为串行数据输出。74hc165 的数据 传输时序图如图 4 所示。

图 4 7hc165 数据输出时序图 由图 4 可以看出,当 clk inh 为高电平时,数据不能输出,当 clk inh 变为低电平后,在下一个脉冲 的上升沿,数据才移位输出。并且,当 sh/ld 为低平时,并口输出的数据被采集进来,当其变为高电平后, 数据被锁存。从而可以用一个反相器将 clk inh 的输入信号反相后再接入 sh/ld,这样当 clk inh 为高电平 时,并口输出的数据被采集到片内,当 clk inh 为低电平后,在下一个脉冲上升沿,数据开始移位输出,而 clk inh 可以作为 spi 通讯的片选信号。 spi 通讯的实现 dsp 与位置信号检测模块进行 spi 通讯时,采用从模式,通讯时钟由位置检测模块提供[3],本系统 中 时 钟 频 率 为 1mhz 。 图 5 给 出 了 dsp 与 位 置 检 测 模 块 spi 通 讯 连 接 示 意 图 。

图 5 位置检测模块与 dsp 的连接示意图 由于 dsp 的 spi 通讯模式为从模式, 接收数据时需要先被选通, dsp 本系统中通过一个 i/o 口, spitie 给 一个低电平选通 dsp,同时,由于 clkinh 也变为低电平,74hc165 开始串行移位输出采集的并行数据,数据 传输完毕,再给 spite 一个高电平,停止接收数据,同时 74hc165 开始采集 ad2s80a 输出的并行数据。这样 就实现了 dsp 与位置检测模块的 spi 通讯。 需要注意的一个问题是,在进行 spi 通信时,数据采集的时序可能不同步,即:dsp 接受的数据与实 际值相比,向右或左平移一位。为了防止数据丢失,可以进行如下处理:在选通 dsp 的片选信号之前,可以先 检测 74hc165 的脉冲信号,在检测到此脉冲的下降沿后,延时大约一个脉冲周期后,再选通 dsp,在这样的 一个脉冲之后的下一个上升沿,数据开始往 dsp 的 spi 口传送,这样 dsp 接收的数据就不会发生移位现象。 下面给出一个 dsp 与位置检测模块 spi 通讯的参考程序段:

设置 spi ldp #0e0h;设置 iopc3 作为 ;spite or #0808h sacl pcdatdir ldp #0e0h splk #000fh,spiccr splk #00000010b,spictl splk #008fh,spiccrspi 通信 spi_wait: ldp #0e1h;检测脉冲下降沿 lacc pfdatdir and #0000000001000000b bcnd spi_wait,neq rpt #40;延时一个脉冲周期 nop ;根据不同的脉冲 ;选择不同的值 lacc pcdatdir;选通 dsp and #1111111111110111b sacl pcdatdir ldp #0e0h spi_rdy: bit spists,bit6 bcnd spi_rdy,ntc ldp #pcdatdir>>7 lacc pcdatdir or #0000000000001000b sacl pcdatdir ldp #0e0h lacc spirxbuf;输出位置信号 ldp #6 sacl positon 结语 本文介绍了旋转变压器的工作原理,并对高精度旋转变压器转换器芯片 ad280a、 外围电路设计进 行 了 详 细 的 介 绍 , 并 详 细 介 绍 了 ad2s80a 输 出 的 并 口 数 据 转 串 口 数 据 及 其 与 高 速 数 字 信 号 处 理 器 tms320lf2407a 进行的 spi 通讯。 这种位置信号检测电路用到永磁同步电动机控制系统中,构成了一种高精度、 高可靠性的位置检测单元。实际运行结果表明:该方法精度高、所用器件体积小、抗干扰能力强、有较高的可 靠性,特别适用于恶劣环境的位置检测系统中,具有很高的应用价值


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