电机（九）——旋转变压器解码算法

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一、旋转变压器概述


旋转变压器(resolver/transformer)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。

旋转变压器和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。



图1.旋转变压器

1.1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。

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。



图2.旋转变压器结构1

【来源：百度百科】

1.2磁阻式旋转变压器

旋变定子和转子的铁芯由铁镍软磁合金或冲有槽孔的硅钢片叠成。转子不用永磁材料制成，它是由驱动同步电机的永磁转子同轴带动旋转的。转子在旋转时通过磁阻原理在副边的两相绕组上分别感应出正弦及余弦电压信号，故称为正弦绕组和余弦绕组，产生彼此相差90°的电角度信号。

磁阻式旋转变压器的转子采取多极形状，磁极的外形应符合能感应正弦信号的特殊要求，因此磁场气隙应近似于正弦波的形状。利用气隙和磁阻的变化使输出绕组的感应电压会随机械转角作相应正弦或余弦的变化，同时转子必须满足多磁极的要求，旋转变压器的定子与转子的磁极数是不相同的，定子磁极数比转子的多。



图3.磁阻式旋转变压器示意图

1.3旋转变压器原理

旋转变压器（即旋变）是一种输出电压随转子角度变化的传感器，由励磁绕组（也称激励绕组 R1-R2）和两相正交的返回绕组（S1-S2、S3-S4）组成，如图 4所示。当励磁绕组通以高频的激励信号后，返回绕组会感应出一定幅值和频率的电压信号，其输出电压是由正弦包络的高频信号，包含了转子位置信息。旋变的输入输出电压之间的关系如图5 所示。



图4.旋变结构示意图



图5.旋变输入输出信号示意图




二、旋转变压器概述


2.1旋变“硬件解码”



图6.旋变硬解码架构【来源：可可电驱】

旋转变压器的信号在RDC芯片内转换成数字数值：位置信息，并通过计算特定时间窗口内的脉冲数来确定速度。振荡器产生励磁电压（约8kHZ，10Vrms）供电给旋转变压器位置传感器，而旋变输出正、余弦信号在RDC芯片内经过余弦乘法器和正玄乘法器以及一个比较器后可得：

△V=K* E*sin(ω*t)*sinθ*cosβ- K* E*sin(ω*t)*cosθ*sinβ

简化后可知：

△V=K* E*sin(ω*t)*sin(θ-β)

其中，β为计数器对应的角度；

△V再进入同步整流器与励磁信号进行解调，去除载波频率ω，所得差值电压信号与sin(θ-β)成正比例，即：

△V’=A* sin(θ-β)

△V’再进入积分器，当θ与β角度存在差值，积分器将输出一个DC电压信号，并输入电压控制振荡器VCO而产生脉冲信号，最后进入向上/向下计算器。 由正/余弦乘法器、同步整流器、积分器、电压控制振荡器、计算器和D/A转换器形成了闭环控制系统，类似于锁相环PPL。当θ与β角度的差值为0时，则计数器的数字值对应于旋转变压器位置传感器输出的角度模拟量，就此RDC芯片解码完成。

在旋转变压器的连续旋转过程中VCO产生脉冲，直到计数器的计数值对应于输入时转子角度的模拟值，即旋转变压器转子角度的偏移量，同时，电压控制振荡器的频率与旋转变压器转子的转速成正比，因此积分器的输出电压可以作为速度信号输出。

2.2旋变软解码



图7.旋变软解码架构

对积分环节输出的正余弦信号值相除后求反正切。在除法运算之后将其对应的角度值存储在相应存储单元，通过查表法得到对应的角度值。对于电机的转速可以通过周期法测固定周期内的角度值进行微分运算得到。