旋转变压器(Resolver)主要用于测量角度位置和角速的电磁传感器。旋转变压器由固定定子和安装在轴上的转子组成。旋转变压器的工作原理与普通变压器相似,其定子和转子可视为变压器的原边和副边。定子绕组接受外部励磁电压,而转子绕组通过电磁耦合产生感应电势。经过解调等处理后,转子绕组的感应电势可以得到转子的转角,从而得到目标结构的轴角位置和角速等数据。
当旋转变压器的定子绕组具有一定频率的励磁电压时,旋转转子上的绕组将输出振幅值与转子轴角成正和余弦函数之间的振幅信号。旋转变压器可分为绕组和磁阻、单极和多极。通常使用多极旋转变压器可以提高数据采集的精度。
图 1 实物旋转变压器
图1为赢双公司生产的52XU9733型磁阻旋转变压器。其主要参数如表1所示:
表- 1 YS 52XU9733主要参数
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极对数 |
3对极 |
励磁电压 |
7V(AC) |
励磁频率 |
10kHz |
变压比 |
0.286±10% |
精度 |
≤±45 |
2 旋转变压器的工作原理
旋转变压器转子中通常有一组原边绕组,定子中有两组副边绕组。在可变磁阻旋转中,转子中没有绕组,取而代之的是原边绕组也在定子上,如图1所示。然而,凸极性设计的转子可以在副边绕组中产生一个感应电感应电势,并在角度位置改变余弦。
图 2 旋转结构示意图
当外界给出图2-3时,无论是经典旋变还是可变磁阻旋变R2-R当4所示励磁信号时,旋转变压器将输出S2-S4、S1-S3.正余弦调幅波。
图 3 励磁输入和正余弦输出旋转变压器
设置旋转变压器转子 R1—R2 励磁绕组两端施加的励磁电压为:
旋转变压器定子上 S1—S2和S3—S4绕组输出电压分别为:
式中 ,E0–定子上两个绕组感应电动势的幅值
θ–余弦绕组S3-S4 与转子绕组R1-R2所成的夹角(定子和转子上各有定位线,也可以看成定子与转子的定位线的夹角),即被测转轴量旋转的角度信息。
3 旋变-数字转换芯片简介
在旋变解码方案中,常规的做法是选用旋转变压器的专用RDC芯片来对旋转变压器输出的模拟信号进行解码。旋变-数字转换芯片(Resolver-to-Digital Converter,简称RDC),又称轴角-数字转换器,是一类专为旋转变压器而设计的模数转换芯片。它可以将旋转变压器输出的正比于旋转轴角度正弦值和(或)余弦值的电信号转换成对应于旋转角度和(或)角速度的数字输出。
目前,针对旋转变压器的解码,市场上已有成熟的旋变-数字转换(Resolver to Digital Convertor,简称RDC )芯片,例如美国ADI公司推出的AD2S80、AD2S83、AD2S90、AD2S1200、AD2S1205,日本多摩川公司的AU6802、AU680以及中国重工716研究所生产的ZSZ/XSZ-04系列旋变-数字转换芯片。此类RDC芯片能够直接与旋转变压器相连接,从硬件上直接对旋转变压器输出的模拟信号进行解码,输出相应的轴角位置和转速信息。
4 旋变-数字转换芯片工作原理
旋变-数字转换芯片的解码过程见图4。
图 4 RDC芯片解码原理图
该差值信号经过积分器后移送至压控振荡器。压控振荡器内部会产生数量上与差值信号幅值成一定关系的脉冲序列,可逆计数器对该脉冲序列进行识别并增减计数。由乘法器、检波器器、积分器器、压控振荡器器和可逆计数器组成的闭环反馈系统,使ΔU’逐渐趋于0。当差值为0时,φ≈θ,此时计数器中的计数值就是转子位置所对应的角度值。至此,RDC芯片已将旋变输出的信号进行了解码。