正余弦旋转变压器及其应用场景

图8-28 正余弦旋转变压器的结构原理

旋转变压器属于电磁式测量传感器，可用于角位移测量。在结构上与绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，励磁电压接到定子绕组上，励磁频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz，转子绕组输出感应电压，输出电压随被测角位移变化而变化。旋转变压器可单独和滚珠丝杠相连，也可与伺服电动机组成一体。

1.工作原理

实际应用的旋转变压器为正余弦旋转变压器，其定子和转子各有互相垂直的两个绕组，正余弦旋转变压器的结构原理如图8-28所示。

其中，定子上的两个绕组分别为正弦绕组和余弦绕组；励磁电压用u_1s和u_1c表示；转子绕组中一个绕组为输出电压u₂，另一个绕组接高阻抗作为补偿；θ为转子偏转角。

定子绕组通入不同的励磁电压，可得到下面两种工作方式：

1）相位工作方式。给定子的正余弦绕组分别通以同幅、同频但相位差为π/2的交流励磁电压，即

这两个励磁电压在转子绕组中产生的感应电压u₂为

式中U_m——励磁电压幅值；

K——电磁耦合系数，K＜1；

θ——相位角（转子偏转角）。

同理，当转子反向转时，可得

由式（8-1）、式（8-2）可以看出，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可知道转子的转角。由于旋转变压器的转子是和被测轴连接在一起的，故所测转角即被测轴角位移。

2）幅值工作方式。给定子的正余弦绕组分别通以同频率、同相位但幅值不同的交流励磁电压，即(www.xing528.com)

u_sm、ucm分别为正余弦绕组励磁电压的幅值，其数值为

式中，θ₁为给定电气角。

u_1s、u1c经叠加，在转子上的感应电压u₂为

同理，转子反向转动时，可得

在式（8-3）、式（8-4）中，KU_mcos（θ₁－θ）和KU_mcos（θ₁＋θ）为感应电压的幅值。

由式（8-3）、式（8-4）可以看出，转子感应电压的幅值随转子的偏转角θ而变化，测量出幅值即可求得转角θ。

2.旋转变压器的结构

从转子感应电压的输出方式来看，旋转变压器分为有刷和无刷两种。在有刷结构中，转子绕组的端点通过电刷和滑环引出。无刷旋转变压器的结构如图8-29所示。

图8-29 无刷旋转变压器的结构

1—壳体 2—转子轴 3—旋转变压器定子 4—旋转变压器转子 5—变压器定子 6—变压器转子 7—变压器一次绕组 8—变压器二次绕组

无刷旋转变压器由两部分组成：一部分称为分解器，由定子和转子组成；另一部分称为变压器，用它取代电刷和滑环。其一次绕组与分解器的转子轴固定在一起，与转子轴一起旋转。分解器中的转子输出信号接在变压器的一次绕组上。变压器的二次绕组与分解器中的定子一样固定在旋转变压器的壳体上。工作时，分解器的定子绕组外加励磁电压，转子绕组即耦合出与转角相关的感应电压。此信号接在变压器的一次绕组上，经报合由变压器的二次绕组输出。

无刷旋转变压器一般为多级旋转变压器。所谓多级旋转变压器就是增加定子或转子的级对数，使电气转角为机械转角的倍数，用来代替单极旋转变压器，不需要升速齿轮，从而提高了定位精度。另外还可用3个旋转变压器按1∶1、10∶1、100∶1的比例相互配合串接，组成精、中、粗三级旋转变压器测量装置。若精测的丝杠位移为10mm。则中测为100mm，粗测为1000mm。为了使机床工作台按要求值到达一定位置，须用电气转换电路在实际值不断接近要求值的过程中，使旋转变压器从“粗”到“中”再到“精”，最后的位置精度由精旋转变压器来决定。