旋转编码器原理「建议收藏」

旋转编码器原理「建议收藏」文章整理于网络:一、简介旋转变压器(resolver)是一种电磁式传感器,又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机,用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度,由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边,接受励磁电压,励磁频率通常用400、3000及5000HZ等。转子绕…

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文章整理于网络:


一、简介

旋转变压器(resolver)是一种电磁式传感器,又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机,用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度,由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边,接受励磁电压,励磁频率通常用400、3000及5000HZ等。转子绕组作为变压器的副边,通过电磁耦合得到感应电压。旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似,区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的,所以输出电压和输入电压之比是常数,而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变,因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化,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。旋转变压器在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号;在解算装置中可作为函数的解算之用,故也称为解算器。

旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极,四极绕组则各有两队磁极,主要用于高精度的检测系统。除此之外,还有多极式旋转变压器,用于高精度绝对式检测系统。

旋转变压器(resover)包含三个绕组,即一个转子绕组和两个定子绕组。转子绕组随马达旋转,定子绕组位置固定且两个定子互为90度角(如图1所示)。这样,绕组形成了一个具有角度依赖系数的变压器。

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                                                      图1:旋转变压器及其相关信号

将施加在转子绕组上的正弦载波耦合至定子绕组,对定子绕组输出进行与转子绕组角度相关的幅度调制。由于安装位置的原因,两个定子绕组的调制输出信号的相位差为90度。 通过解调两个信号可以获得马达的角度位置信息,首先要接收纯正弦波及余弦波,然后将其相除得到该角度的正切值,最终通过“反正切”函数求出角度值。

按输出电压与转子转角间的函数关系,主要分三大类旋转变压器:
   1.正–余弦旋转变压器—-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—-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。
   3.比例式旋转变压器—-其输出电压与转角成比例关系。

二、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2为两极旋转变压器电气工作原理图。图中Z为阻抗。

 

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式中K——旋转变压器的变比;Vm-Vs的幅值;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。由上式可知,转子绕组中的感应电势VB为以角速度ω随时间t变化的交变电压信号。其幅值KVmsinθ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。如图3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S1S2为定子主绕组,K1K2为定子辅助绕组。当S1S2和K1K2中分别通以交变激磁电压时

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由此可见,旋转变压器转子绕组中的感应电势VB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角正是被测位移,故通过比较感应电势VB与定子激磁电压信号VK的相位,便可求出θ。

在图3中,转子绕组A1A2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:参看图3,设定子主绕组S1S2和辅助绕组K1K2分别输入交变激磁电压

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旋转变压器简介

一概述

  旋转变压器光电编码器是目前伺服领域应用最广的测量元件,其用途类似光电编码器,其原理和特性上的区别决定了其应用场合和使用方法的不同。

  光电编码器直接输出数字信号,处理电路简单,噪声容限大,容易提高分辨率,缺点是不耐冲击,不耐高温,易受辐射干扰,因此不宜用在军事和太空领域。

  旋转变压器具有耐冲击、耐高温、耐油污、高可靠、长寿命等优点,其缺点是输出为调制的模拟信号,输出信号解算较复杂。

旋转变压器

图1. 旋转变压器

  广义上讲,旋转电机都属于旋转变压器,本文称的旋转变压器是特指用作角度或速度测量的信号电机

  旋转变压器是一种电机,是一种测量用途的信号电机;

  旋转变压器是一种角度或速度传感器;

  作为自动控制系统中作为角度或转速信号的监测装置,旋转变压器及自整角机感应移相器感应同步器轴角编码器测速发电机等均属于控制电机

  旋转变压器是一种电磁感应元件,与静止变压器不同之处在于其原边绕组和副边绕组的相对位置可变,是可旋转的;其原边和副边的耦合程度因旋转的角度不同而不同。

  按照旋转变压器的副边输出和原边输入的关系,可以分为:正余弦旋转变压器线性旋转变压器比例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等四类。

  旋转变压器的英文为resolver,根据词义,有人把它称作为“解算器”或“分解器”。

  《GB/T 2900.26-2008 电工术语 控制电机》中关于旋转变压器的相关定义如下:

1旋转变压器

  旋转变压器(electrical resolver;resolver)是指以可变耦合原理工作的交流控制电机。它的副方(次级)输出电压与转子转角呈确定的函数关系。

2正余弦旋转变压器

  正余弦旋转变压器(sine-cosine resolver)是指副方(次级)输出电压与转子转角呈正弦和余弦函数关系的旋转变压器。

3比例旋转变压器

  比例旋转变压器(linear resolver)是指在一定转角范围内,副方(次级)输出电压与转子转角呈线性函数关系的旋转变压器。

4特种函数旋转变压器

  特种函数旋转变压器(special function resolver)是指在一定的转角范围内,副方(次级)输出电压与转子转角呈某种特定函数(除正余弦函数和线性函数外)关系的旋转变压器。

5单绕组线性旋转变压器

  单绕组线性旋转变压器(induction potentiometer)是指原方(初级)和副方(次级)各仅有一套绕组的线性旋转变压器。

6旋变发送机

  旋变发送机(resolver transmitter)是指将转子角位移转换成与之相对应的四线电信号输出的正余弦旋转变压器。

7旋变差动发送机

  旋变差动发送机(resolver differential transmitter)是指接收来自旋变发送机的电信号,输出对应于发送机与自身角位移之和(或差)的电信号的正余弦旋转变压器。

8旋变变压器

  旋变变压器(resolver transmitter)是指接收来自旋变发送机(或差动发送机)的电信号,输出一个对应于发送机(或差动发送机)角位移与自身角位移之和(或差)的电信号的正余弦旋转变压器。

9无刷旋转变压器

  无刷旋转变压器(brushless resolver)是指没有电刷和滑环结构且允许连续旋转的旋转变压器。

10多极旋转变压器

  多极旋转变压器(multipolar resolver)是指极对数大于1的旋转变压器。

11双通道旋转变压器

  双通道旋转变压器(dual-speed resolver)是指单对极和多对极旋转变压器的组合。

12磁阻式旋转变压器

  磁阻式旋转变压器(variable reluctance resolver)是指按定转子之间可变磁阻效应原理工作的无刷旋转变压器。

二旋转变压器结构

  作为信号电机,旋转变压器与电机类似,主要由定子和转子构成。定子和转子铁心由导磁性能良好材料制作而成,定子铁心内层和转子铁心外层上布有齿槽。

旋转变压器结构图

图2. 旋转变压器结构图

  在定子槽中分别布置有两个空间互成90°的结构完全相同的绕组,一个是定子激磁绕组,一个为定子交轴绕组。

  在转子槽中分别布置有两个空间互成90°的结构完全相同的绕组,一个正弦输出绕组,一个余弦输出绕组。

  定、转子间的气隙是均匀的,气隙磁场一般为两极。定子绕组引出线可直接引出或接到固定的接线板上,而转子绕组引出线则通过滑环和电刷引出。

  对于线性旋转变压器,由于转子转角有限(往复运动,不是连续旋转),可以用软导线直接将转子绕组线端引出。

三旋转变压器电气原理图

  下图为正余弦旋转变压器的电气原理图:

旋转变压器电气原理图

图3. 旋转变压器电气原理图

  图中,S1S3为原边励磁绕组,S2S4为原边交轴补偿绕组。R1R3为副边正弦绕组,R2R4为副边余弦绕组。

四旋转变压器电压矢量图

  下图为不含补偿绕组的定子励磁旋转变压器的电压矢量图:

旋转变压器矢量图

图4. 旋转变压器电压矢量图

五旋转变压器电压方程式

  定子励磁,不带补偿绕组的正余弦旋转变压器在任意电气角度下输出电压满足下述方程式:

  UR1R3=KUS1S3cosθ+ KUS2S4sinθ

  UR2R4=KUS2S4cosθ- KUS1S3sinθ

  式中:

  UR1R3为转子绕组R1R3之间的电压;

  UR2R4为转子绕组R2R4之间的电压;

  US1S3为定子绕组S1S3之间的电压;

  US2S4为定子绕组S2S4之间的电压;

  θ为旋转变压器转子相对定子的电气角;

  K为旋转变压器变比。

  当原边定子交轴绕组短路时,电压方程式变为:

  UR1R3=KUS1S3cosθ

  UR2R4= – KUS1S3sinθ

  对旋转变压器的励磁绕组、正弦绕组和余弦绕组的输出信号进行测量和分析,可以计算出旋转变压器的电气角和旋转速度。

六旋转变压器主要技术指标

1零位电压

  旋转变压器的输出绕组中感应电压最小时,转子位置就是电气零位,输出电压就是零位电压。零位电压也称剩余电压(Null voltage)。

  理想的旋转变压器的零位电压等于零。实际则因为绕组分布误差、交轴不是严格正交、导磁材料磁导率不均匀、磁路不对称、干扰等因数的存在,旋转变压器零位电压一般不为零,零位电压通常应小于最大输出电压的0.1%,而其基波电压通常有较大的占比,准确测量零位电压是评价旋转变压器的一个重要环节。

  旋转变压器零位电压的真有效值及基波有效值需符合产品专用技术条件的规定。

2相位移

  相位移是指励磁电压与输出电压的基波分量之间的相位差。旋转变压器相位移通常超前,对于控制系统而言,相对固定的相位移是可以接受的,但是,较大的、并且不稳定的相位移则是不允许的。

  一般而言,随着基座号的上升、励磁频率的上升,相位移随之减小。随着温度的上升,绕组电阻变大,相位移也会变大。

  在控制系统中,许多时候,把相位移或相位移的变化控制在一定的范围内,是非常有必要的。

3变压比

  旋转变压器的变压比与静止变压器的变比含义相同,但是,旋转变压器在不同转角时,磁场耦合程度不同,输出电压不同。因此,旋转变压器的变压比是指在规定励磁条件下,最大空载输出电压的基波分量与励磁电压的基波分量之比。

  旋转变压器的上述特点,给其变压比测量带来了一定的困难。

  变压比是旋转变压器的基本技术指标,一般在铭牌中标称。

4开路输入阻抗

  旋转变压器的技术指标中,在铭牌上标称的指标一般只有两个,一个是变压比,另一个就是开路输入阻抗

  旋转变压器的开路输入阻抗一般在200Ω~10kΩ之间。

5线性误差

  线性误差是指线性旋转变压器在工作角度范围内仍一转子位置时的实际输出电压与理论输出电压的偏差。

  旋转变压器线性误差计算公式

  式中:

  δ1——线性误差;
  Uθ’——在转子角度为θ时所测得的输出电压基波同相(与最大输出电压同相)分量;
  Uθ——在转子角度为θ时输出电压基波同相(与最大输出电压同相)分量的理论值;
  U60——在转子角度为60°时输出电压基波分量的理论值。

6函数误差

  正余弦旋转变压器在任一转子位置时函数误差的表达式为:

旋转变压器函数误差计算公式

  式中:

  δs——函数误差;

  Uθ——在转子角度为θ时输出电压基波同相(与最大输出电压同相)分量;

  U——在转子角度为90°时输出电压基波分量。

7电气误差

  电气误差是指转子实际电气角度与通过输出测量计算获得的电气角度的偏差。一般不超过12′。

8交轴误差

  原边绕组轮流励磁(剩下绕组短路),转动转子,分别测得转子理论角度为0°、90°、180°、270°时的电气误差,按要求取这些电气误差的代数差,绝对值最大的差值为交轴误差

七旋转变压器综合测试仪

  正余弦旋转变压器输出为调幅波,包含了转角及转速信号,银河电气在充分研究正余弦变压器输入输出关系的基础上,研制了DH2000/RE1正余弦旋转变压器综合测试仪。测试仪如下图4所示。

正余弦旋转变压器综合测试仪

图4:正余弦旋转变压器综合测试仪

  ● 全新测试手段,告别纷繁复杂的传统仪器;

  ● 现代测试技术,全面提高测试精度;

  ● 全面解码旋变,状态及性能参数一目了然;

  一台DH2000/RE1正余弦旋转变压器综合测试仪即可高效率实现标准规定的所有试验,并可自动出具试验报告和合格判定。(测试仪内置高精度励磁电源,用户无需另外选购)

  推荐阅读:

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  产品应用旋转变压器综合试验系统

  基础知识正余弦旋转变压器输出的是正余弦信号吗?

  作者:AnyWay中国

  湖南银河电气有限公司(http://www.vfe.cc/

原文链接:http://www.vfe.cc/NewsDetail-891.aspx

旋转变压器的分类

       目前,角度测量的装置,应用的最为广泛的有光电编码器和旋转变压器。但是光电编码器的抗干扰性差,不宜应用在条件恶劣的场合中。与之相比,旋转变压器由于结构简单,坚固耐用,抗干扰性强,能够应用在各种条件恶劣的场合,所以在特殊领域有着广泛的应用。旋转变压器简称为旋变,主要应用于角度测量,将转子转角变换成与之呈现某一函数关系(正余弦、线性、比例、特种函数)的模拟电信号,属于一类精密控制的微电机。由于基本实际使用的都为正余弦旋转变压器,所以以正余弦变进行讨论。
  正余弦旋转变压器其绕组分别放在定、转子上,两侧绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角密切相关。正余弦旋转变压器正是利用它们之间的不同相对位置来改变它们之间的互感,以便在定子绕组中获得与旋转θ成正、余弦函数关系的端电压。正余弦旋转变压器如图1所示。
正余弦旋转变压器电气原理图

图1 正余弦旋转变压器电气原理图
  实际使用中,一般采用转子励磁的方式。 R2-R4作为转子励磁绕组,R1-R3作为交轴绕组(一般短接,实现交轴补偿,也称为补偿绕组),两者空间互相垂直且匝数、型式完全相同。S1-S3和S2-S4分别为定子上的正弦输出绕组和余弦输出绕组,它们的结构也完全相同。对正余弦旋转变压器的励磁绕组、正弦绕组和余弦绕组的输出信号进行测量和分析,可以计算出旋转变压器的电气角和旋转速度,从而得到被测电机的角度、转速等参数。
  旋转变压器有着不同的分类方法,主要可以按照有无电刷和滑环的接触、极对数的多少、转子有无绕组、输入输出相数、装配方式等,各种分类方法不是独立的。

一按有无电刷和滑环分类

  按有无电刷和滑环,可将旋转变压器分为接触式旋变和无接触式旋变两种。接触式旋变就是通过电刷和滑环将绕组和外电路进行连接。无接触式旋变是通过环型耦合变压器来取代电刷和滑环的作用将绕组和外电路进行连接,也被称为无刷式旋转变压器,如图2所示。
无刷旋转变压器原理图

图2无刷旋转变压器原理图
  环型耦合变压器(简称环变)在旋转变压器部分的前端将励磁电压(一般7V,10KHz)传递至旋转变压器的转子部分,从而在定子侧将感应的正余弦信号输出,以此来实现无刷的功能。
  早期的旋转变压器都是有刷结构,由于接触式旋变存在电刷和滑环,两者之间的滑动接触使得其寿命和可靠性受到限制,而且会产生噪声,所以被无刷式旋变所取代,如今所说的旋转变压器,基本指的是无刷旋转变压器。

二按极对数的多少分类

  旋转变压器按极对数的多少,可以分为单对极旋变和多对极旋变两种。其中多对极旋变是为了提高角度测量的精度,一般使用时与被测电机的极对数匹配一致。
  既有单独使用的多对极旋转变压器,也有和单对极旋变组成统一系统的旋转变压器。在组成的统一系统中,如果单对极旋变和多对极旋变各自独有自己的定、转子铁芯,这种结构被称为单通道旋转变压器;如果单对极旋变和多对极旋变在同一套定、转子铁芯中,而分别有自己的单对极绕组和多对极绕组,这种结构被称为双通道旋转变应器,一般双通道结构的旋转变压器较多。
  所以,目前按极对数来分类的旋转变压器,主要应用的是:单对极旋变,多对极旋变,双通道旋变。
  补充说明:旋转变压器的极对数也被称为轴倍角,极对数为n时的轴倍角表示为nX。即:单对极旋变的轴倍角是1X,轴倍角2X以上为多对极旋变,单对极与多对极组合的旋变的轴倍角表示为1X-nX。单对极旋变、多对极旋变、组合旋变亦被称为单速旋变、多速旋变、复速旋变。

三按转子有无绕组分类

  按转子上有无绕组,可以将旋变分为无刷旋转变压器和磁阻式旋转变压器。无刷旋变通过环型耦合变压器来实现转子绕组和外电路的连接,但是,由于环型耦合变压器的存在,造成旋转变压器的尺寸、体积、重量较大,在一些空间有限的场合应用受到限制。磁阻式旋转变压器(VR旋转变压器)转子上不安置绕组,而是把激磁和信号绕组都安放在定子上。
  磁阻式旋转变压器根据磁阻变化原理设计的一种无接触式旋转变压器,随着转子位置角的变化,气隙磁导不断变化,气隙磁密也不断变化,从而导致定子上信号绕组的感应电势不断变化。磁阻式旋转变压器如图3所示。
磁阻式旋转变压器

图3磁阻式旋转变压器
  补充说明:磁阻式旋转变压器转子上的齿(极靴)数,决定了磁阻式旋变的极对数。一般磁阻式旋变都是2对极(2X)及以上的多对极旋变。磁阻式旋转变压器转子外形如图4所示。
磁阻式旋转变压器转子外形

图4磁阻式旋转变压器转子外形

四按输入输出相数分类

  按照励磁电压输入及输出电压的相数,可以将旋转变压器分为1相励磁/2相输出(BRX), 2相励磁/1相输出(BRT),2相励磁/2相输出(BRS)。
  其中1相励磁/2相输出(BRX)是应用最广的形式。

五按按装配方式分类

  按照旋转变压器的装配方式可以分为分装式和组装式。将旋转变压器的定子、转子组合固定在同一个壳内,旋转轴引出,测量电机的角度时,通过轴连器与电机轴相连。一般应用的是分装式旋转变压器,由用户自由安装。

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