旋转变压器的工作原理及应用

旋转变压器的工作原理及应用

旋转变压器的工作原理及应用

旋转变压器又称分解器，是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数

关系的电信号的一种间接测量装置。在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子

组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到转子绕组上，感

应电动势由定子绕组输出。常用的激磁频率为400Hz，500Hz，1000Hz和5000Hz。 旋转变

压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，

工作可靠。因此，在数控机床上广泛应用。 通常应用的旋转变压器为二极旋转变压器，其

定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组。另外，还有一种多极旋转变压器。也可以把一

个极对数少的和一个极对数多的两种旋转变压器做在一个磁路上，装在一个机壳内，构成

“粗测”和“精测”电气变速双通道检测装置，用于高精度检测系统和同步系统。

什么是旋转变压器以及应用方式

什么是旋转变压器以及应用方式

旋转变压器又称分解器，是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数

关系的电信号的一种间接测量装置。 在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转

子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到转子绕组上，

感应电动势由定子绕组输出。常用的激磁频率为400Hz，500Hz，1000Hz和5000Hz。 旋转

变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，

工作可靠。因此，在数控机床上广泛应用。

通常应用的旋转变压器为二极旋转变压器，其定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕

组。另外，还有一种多极旋转变压器。也可以把一个极对数少的和一个极对数多的两种旋转

变压器做在一个磁路上，装在一个机壳内，构成“粗测”和“精测”电气变速双通道检测装

置，用于高精度检测系统和同步系统。

旋转变压器的应用

旋转变压器作为位置检测装置有两种应用方式：鉴相方式和鉴幅方式。

1. 鉴相工作方式

在旋转变压器定子的两相正交绕组(正弦用s和和余弦用c表示)，一般称为正弦绕组和余弦

绕组上，分别输入幅值相等，频率相同的正弦、余弦激磁电压 Us=Umsinωt Uc=Umcosωt 两

相激磁电压在转子绕组中会产生感应电动势。根据线性叠加原理，在转子绕组中感应电压为

U=kUssinθ机+kUccosθ机=kUmcos(ωt-θ机)

其中k为变压比，由式4-10可知感应电压的相位角就等于转子的机械转角θ机。因此只

要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子是和伺服电

机或传动轴连接在一起的，从而可以求得执行部件的直线位移或角位移。

2.鉴幅工作方式

给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同，即调幅的激磁电压

Us=Umsinθ电sinωt Uc=Umcosθ电sinωt

则在转子绕组上得到感应电压为

U=kUssinθ机+kUccosθ机

=kUmsinωt(sinθ电sinθ机+cosθ电Uccosθ机)

=kUmcos(θ电-θ机) sinωt

在实际应用中，是不断修改激磁调幅电压值的电气角θ电，使之跟踪θ机的变化，并

测量感应电压幅值即可求得机械角位移θ机。

旋转变压器的原理和应用

旋转变压器的原理和应用

⒈概述

⒈⒈ 旋转变压器的发展

旋转变压器用于运动伺服控制系统中，作为角度位置的传感和测量用。早期的旋转变压

器用于计算解答装置中，作为模拟计算机中的主要组成部分之一。其输出，是随转子转角作

某种函数变化的电气信号，通常是正弦、余弦、线性等。这些函数是最常见的，也是容易实

现的。在对绕组做专门设计时，也可产生某些特殊函数的电气输出。但这样的函数只用于特

殊的场合，不是通用的。60年代起，旋转变压器逐渐用于伺服系统，作为角度信号的产生

和检测元件。三线的三相的自整角机，早于四线的两相旋转变压器应用于系统中。所以作为

角度信号传输的旋转变压器，有时被称作四线自整角机。随着电子技术和数字计算技术的发

展，数字式计算机早已代替了模拟式计算机。所以实际上，旋转变压器目前主要是用于角度

位置伺服控制系统中。由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度，所以旋转变压器

应用的更广泛。特别是，在高精度的双通道、双速系统中，广泛应用的多极电气元件，原来

采用的是多极自整角机，现在基本上都是采用多极旋转变压器。旋转变压器是目前国内的专

业名称，简称“旋变” 。俄文里称作

“ВращающийсяТрансформатор” ，词义就是“旋转变压器”。

英文名字叫“resolver”，根据词义，有人把它称作为“解算器”或“分解器”。

作为角度位置传感元件，常用的有这样几种：光学编码器、磁性编码器和旋转变压器。

由于制作和精度的缘故，磁性编码器没有其他两种普及。光学编码器的输出信号是脉冲，由

于是天然的数字量，数据处理比较方便，因而得到了很好的应用。早期的旋转变压器，由于

信号处理电路比较复杂，价格比较贵的原因，应用受到了限制。因为旋转变压器具有无可比

拟的可靠性，以及具有足够高的精度，在许多场合有着不可代替的地位，特别是在军事以及

航天、航空、航海等方面。随着电子工业的发展，电子元器件集成化程度的提高，元器件的

价格大大下降;另外，信号处理技术的进步，旋转变压器的信号处理电路变得简单、可靠，

价格也大大下降。而且，又出现了软件解码的信号处理，使得信号处理问题变得更加灵活、

方便。这样，旋转变压器的应用得到了更大的发展，其优点得到了更大的体现。和光学编码

器相比，旋转变压器有这样几点明显的优点：①无可比拟的可靠性，非常好的抗恶劣环境条

件的能力;②可以运行在更高的转速下。(在输出12 bit的信号下，允许电动机的转速可达

60,000rpm。而光学编码器，由于光电器件的频响一般在200kHz以下，在12 bit时，速度

只能达到3,000rpm);③方便的绝对值信号数据输出。

⒈⒉ 旋转变压器的应用

旋转变压器的应用，近期发展很快。除了传统的、要求可靠性高的军用、航空航天领域之外，

在工业、交通以及民用领域也得到了广泛的应用。特别应该提出的是，这些年来，随着工业

自动化水平的提高，随着节能减排的要求越来越高，效率高、节能显著的永磁交流电动机的

应用，越来越广泛。而永磁交流电动机的位置传感器，原来是以光学编码器居多，但这些年

来，却迅速地被旋转变压器代替。可以举几个明显的例子，在家电中，不论是冰箱、空调、

还是洗衣机，目前都是向变频变速发展，采用的是正弦波控制的永磁交流电动机。目前各国

都在非常重视的电动汽车中，电动汽车中所用的位置、速度传感器都是旋转变压器。例如，

驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气阀角度测量、

真空室传送器角度位置测量等等，都是采用旋转变压器。在应用于塑压系统、纺织系统、冶

金系统以及其他领域里，所应用的伺服系统中关键部件伺服电动机上，也是用旋转变压器作

为位置速度传感器。旋转变压器的应用已经成为一种趋势。

⒈⒊ 旋转变压器的结构

根据转子电信号引进、引出的方式，分为有刷旋转变压器和无刷旋转变压器。在有刷旋

转变压器中，定、转子上都有绕组。转子绕组的电信号，通过滑动接触，由转子上的滑环和

定子上的电刷引进或引出。由于有刷结构的存在，使得旋转变压器的可靠性很难得到保证。

因此目前这种结构形式的旋转变压器应用的很少，我们着重于介绍无刷旋转变压器。目前无

刷旋转变压器有两种结构形式。一种称作为环形变压器式无刷旋转变压器，另一种称作为磁

阻式旋转变压器。

1)环形变压器式旋转变压器 图1示出环形变压器式无刷旋转变压器的结构。这种结构

很好地实现了无刷、无接触。图中右侧部分是典型的旋转变压器的定、转子，在结构上和有

刷旋转变压器一样的定、转子绕组，作信号变换。左侧是环形变压器。它的一个绕组在定子

上，一个在转子上，同心放置。 转子上的环形变压器绕组和作信号变换的转子绕组相联，

它的电信号的输入输出 由环形变压器完成。

A—普通旋转变压器 B—环形变压器

图1环变式旋转变压器结构示意

2)磁阻式旋转变压器 图2是一个10对极的磁阻式旋转变压器的示意图。磁阻式旋转

变压器的励磁绕组和输出绕组放在同一套定子槽内，固定不动。但励磁绕组和输出绕组的形

式不一样。两相绕组的输出信号，仍然应该是随转角作正弦变化、彼此相差90°电角度的

电信号。转子磁极形状作特殊设计，使得气隙磁场近似于正弦形。转子形状的设计也必须满

足所要求的极数。可以看出，转子的形状决定了极对数和气隙磁场的形状。磁阻式旋转变压

器一般都做成分装式，不组合在一起，以分装形式提供给用户，由用户自己组装配合。

图2 磁阻式旋转变压器结构示意

3) 多极旋转变压 图3多极旋转变压器的结构示意图。图3 a)、b) 是共磁路结构，

粗、精机定、转子绕组公用一套铁心。所谓粗机，是指单对磁极的旋转变压器，它的精度低，

所以称为粗机;精机是指多对极的旋转变压器，由于精度高，多对磁极的旋转变压器称为精

机。其中图3a) 表示的是旋转变压器的定子和转子组装成一体，由机壳、端盖和轴承将它

们连在一起。称为组装式，图3b) 的定转子是分开的，称为分装式。图3c)、d) 是分磁路

结构，粗、精机定、转子绕组各有自己的铁心。其中图4c)、d)都是组装式，只是粗、精机

位置安放的形式不一样，图3c) 的粗、精机平行放置，图3d) 粗、精机是垂直放置，粗机

在内腔。另外，很多时候也有单独的多极旋转变压器。应用时，若仍需要单对极的旋转变压

器，则另外配置。

共磁路 分磁路

a)组装式 b)分装式 c)粗精平行放置 d)粗精垂直放置

图3多极旋转变压器结构示意

对于多极旋转变压器，一般都必须和单极旋转变压器组成统一的系统。在旋转变压器的设

计中，如果单极旋转变压器和多极旋转变压器设计在同一套定、转子铁心中，而分别有自己

的单极绕组和多极绕组。这种结构的旋转变压器称为双通道旋转变压器。如果单极旋转变压

器和多极旋转变压器都是单独设计，都有自己的定、转子铁心。这种结构的旋转变压器称为

单通道旋转变压器。

⒉ 旋转变压器的工作原理

⒉⒈ 旋转变压器角度位置伺服控制系统 图4是一个比较典型的角度位置伺服控制系

统。XF称作旋变发送机，XB称作旋变变压器。旋变发送机发送一个与机械转角有关的、作

一定函数关系变化的电气信号;旋变变压器接受这个信号、并产生和输出一个与双方机械转

角之差有关的电气信号。伺服放大器接受选变压器的输出信号，作为伺服电动机的控制信号。

经放大，驱动伺服电动机旋转，并带动接受方旋转变压器转轴及其它相连的机构，直至达到

和发送机方一致的角位置。 旋变发送机的初级，一般在转子上设有正交的两相绕组，其中

一相作为励磁绕组，输入单相交流电压;另一相短接，以抵消交轴磁通，改善精度。次级也

是正交的两相绕组。旋变变压器的初级一般在定子上，由正交的两相绕组组成;次级为单项

绕组，没有正交绕组。

图4旋转变压器角度位置伺服控制系统

应该指出，由于结构的关系，磁阻式旋变只有旋变发送机，没有旋变变压器。

⒉⒉ 工作原理

前面已经介绍过，旋转变压器有旋变发送机和旋变压器之分。作为旋变发送机它的励磁绕组

是由单相电压供电，电压可以写为式(1)形式：

(1)

其中，U1m—励磁电压的幅值，ω—励磁电压的角频率。励磁绕组的励磁电流产生的交变磁

通，在次级输出绕组中感生出电动势。当转子转动时，由于励磁绕组和次级输出绕组的相对

位置发生变化，因而次级输出绕组感生的电动势也发生变化。又由于次级输出的两相绕组在

空间成正交的90°电角度，因而两相输出电压如式(2)所示： 信息来自:输配电设备网

(2)

其中，U2Fs—正弦相的输出电压，U2Fc—余弦相的输出电压，U2Fm—次级输出电压的幅

值;αF—励磁方和次级输出方电压之间的相位角，θF—发送机转子的转角。

旋转变压器信号处理的低成本、

旋转变压器信号处理的低成本

、高分辨率方案

高分辨率方案

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。 信息请登陆:输配电设备网

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。由于一般情况下要使用DSP

进行算术处理，因而需要将正弦及余弦波数字化。目前市面上有几种具备这些功能的专用产

品，然而其价格昂贵，对于大多数应用而言需要寻求其他替代方案。目前有一种最为常用的

方法是，检测输出信号中载波频率的峰值来触发模数转换器(ADC)。如果总是在这一时间点

转换调制信号，则将消除载波频率。由于更高分辨率的增量累加(Δ-∑)ADC总是在一段时

间内对信号进行积分采样，因此它将不仅仅转换峰值电压，因而需要采用诸如TI ADS7861

或ADS8361等逐次逼近ADC，分辨率也被限制在12~14位。 这种方法还需要使用几种电路

模块，必须生成合适的正弦载波，必须在合适的时间点触发转换过程，且ADC必须对信号进

行同步转换。这样不仅增加了成本，且分辨率有限。

新概念使用过采样方法，并将解调移至数字域内，调制信号的过采样采用双通道Δ-∑调

制器ADS1205，数字滤波器芯片AMC1210用于调制器输出的解调和抽取(decimation)。 调

制器仅产生位流，这不同于ADC中的数字概念。为了输出相当于模拟输入电压的数字信号，

必须使用数字滤波器来处理位流。正弦滤波器是一种非常简单、易于构建且硬件需求最少的

一种滤波器。那些频率为调制器时钟频率除以过采样率所得值的整数倍的信号将被抑制，这

些被抑制的频率点称为陷波(notch)。在此新概念中，积分器的抽取率设定的原则是使载波

频率落入到某一陷波频率。但首先需要对信号进行解调，否则角度信息将与载波频率一起被

忽略。该任务由AMC1210完成。AMC1210具有四个通道，每个通道均提供如图2所示的滤波

器结构。

图2：AMC1210的数字滤波器结构 信息来自:输配电设备网

AMC1210也可用于测量电流。在本例中，我们将比较器滤波器(comparator filter)用于过

电流保护，能够在低分辨率情况下实现快速响应(如图中蓝色部分所示)。$部分在较低采样

率情况下能够产生更高分辨率的输出，这部分用于控制环路。根据应用的需要，在这里可以

使用正弦滤波器及积分器来优化滤波器的结构。此外，该通路还可用于滤波及解调。 首先，

AMC1210中的正弦滤波器对调制器的位流进行滤波，以将其转换为中等分辨率、中等速率的

数据字。对ADS1205而言，最高效的三阶正弦滤波器的过采样率(OSR)为128。过采样率超

过128时，OSR每增加一倍，信噪比仅增加3dB。在解调过程后利用积分器可以达到同样的

效果，而且还能缩短滤波器的延迟时间。将OSR设为128时会产生一个14位的数字调制信

号，其数据速率为：

该等式中，fmod表示调制器的时钟频率，该时钟频率在调制器中降为原来的一半。在

下例中，当时钟信号频率为32.768MHz时，三阶正弦滤波器的数据速率为128kHz。

现在需要对信号进行解调(如图3所示)。

图3：AMC1210内部的解调过程示例

这表示当未调制载波为正时，14位数字信号须乘以+1，若未调制载波为负则须乘以-1。我

们需要考虑到载波信号通过旋转变压器、线圈、调制器以及正弦滤波器时产生的延时。因此，

AMC1210具有相移校验功能，能够在相移90度内正常工作。若相移超过此范围，则必须在

寄存器中编程。 最后，积分器OSR的设定原则是：载波频率是整个滤波器传输函数陷波的

整数倍。在时域中，这等同于在多个载波周期内求积分。这样就完全抑制了载波频率。在此

例中，如果积分器的OSR为16，则分辨率提高2位(0.5位/因数2)。然而输出信号的幅度

降低了3dB(-0.5位)，原因是积分器产生的是解调信号的平均电压而非峰值电压。 总结：

AMC1210的输出为数字正弦波或余弦波，数据速率为8kHz，噪声性能为15.5位。该信号的

幅度比输入调制信号降低了3dB。

角度检测与控制环路同步

角度检测与马达控制环路的同步非常重要，因此，数字滤波器的输出数据速率与载波频率都

必须可调。 通过AMC1210内置的寄存器映射可以设定滤波器结构，正弦滤波器的阶数(1阶、

2阶及3阶)及过采样率(1~256)都是可编程设定的。积分器可以运行在固定的过采样率上，

也可以由外部采样及保持信号触发。 载波频率也是以PWM格式的AMC1210产生。因此，提

供了高达1,024位的移位寄存器，一个周期的载波正弦波可以存储在该寄存器中，寄存器的

PWM位流可由仿真Δ-∑调制器的小型C语言程序产生。该调制器的输入为要求的载波信号;

输出端的位流为PWM信号，这个位流必须储存在移位寄存器中。 AMC1210将提取寄存器中

的可编程数据位并将其输出到环路中，这样就产生了连续的载波信号。例如，当系统时钟为

30.016MHz、控制环路运行于8kHz时，每个控制环路的时钟周期为3,752个。可以使用

AMC1210的内置分频器能够降低系统时钟。如果选择降低4，则会占用938比特的PWM寄存

器。 AMC1210拥有一个互补的PWM输出(PWM_P及PWM_N)，其电流驱动能力最高可达100mA。

这样就产生了全差分载波信号，其电压范围高达+/-5V(5V单电源)，能够直接驱动旋转变压

器。旋转变压器自身具有对PWM信号的低通滤波能力，所以旋转变压器的正弦及余弦绕组可

以直接产生幅度整齐的调制正弦波。因为载波信号的谐波也落在滤波器传输函数的陷波频率

上，故谐波的影响并不严重。

应用验证

图4中的电路可用于对这种新概念进行验证。

图4：测试验证电路

AMC1210的PWM输出直接驱动旋转变压器，ADS1205的参考引脚(REF)将正弦及余弦信号

的电压限制在正确范围之内。由于ADS1205参考输出具有高阻抗特性，不能提供足够的驱动

电流，故需增加缓冲。旋转变压器另一侧的输出引脚的阻抗低，因而可以直接驱动调制器的

输入端。将频率转换器用于驱动马达，会导致旋转频率不佳。50Hz的信号频率表示马达转

速为3,000RPM。可以看出背景噪声低于-120dB，即有效位超过14位。 ADS1205与AMC1210

的组合单价约为5美元(批量为1,000片)，而其它专用产品的最低单价为20美元左右，具

有标准组件的解决方案单价约为7.50美元。除具有价格优势之外，Δ-∑架构还可确保更出

色的信噪比，这个方案的ENOB为15.5，专用产品解决方案的ENOB为12。其缺点是数字滤

波器会产生固定的时间延迟，马达控制器环路需要对此时延进行调整。

环氧树脂干式（

环氧树脂干式

（灌封）

灌封

）变压器的特点及应用

变压器的特点及应用

1、氧树脂干式(灌封)压器上可安装温度显示控制器，对变压器绕组的运行温度进行显示和

控制，保证变压器正常使用寿命。其测温感测器PT100铂电阻插入低压绕组内取得温度信号，

经电路处理后在控制板上回圈显示各相绕组温度。它具有温度设定功能，手动/自动启停风

机，发出故障、超温声光信号报警和超温自动跳闸等功能，具有国家规定的抗电磁干扰能力。

同时预留有智慧电脑介面，实现远端控制。环氧树脂干式(灌封)变压器配置有低噪音幅流风

机，启动后可降低绕组温度，提高负载能力，延长变压器寿命;采用强迫风冷时，额定容量

可提高40-50%。

2、环氧树脂干式(灌封)变压器技术特点

气性能好，局部放电值低：在变压器绝缘结构中，多少会有些局部的绝缘弱点，它在电场的

作用下会首先发生放电，而不随即形成整个绝缘贯穿性击穿，它可能发生在绝缘体的表面或

内部，即局部放电。然而电气绝缘的破坏或局部老化，多数是从局部放电开始的，它的危害

性突出表现在绝缘寿命迅速降低，最终影响安全运行。干式变压器由于其独特的结构(高、

低压绕组全部采用铜带(箔)绕成)和其先进的制造工艺水准(高、低压绕组全部在真空中浇注

环氧树脂并固化)，使其局部放电值低。 耐雷电冲击能力强：由于高、低压绕组全部采用铜

带(箔)绕成，层间电压低、电容大，箔式绕组起始电压分布接近线性，因此其抗雷电冲击能

力强。抗短路能力强：由于高、低压绕组电抗高度相同，无螺旋角现象，线圈间的安匝平衡，

高、低压绕组因短路引起的轴向力几乎为零，因此其抗短路能力强。 抗龟裂性能好：干式

变压器采用环氧树脂“薄绝缘(1-3mm)技术”，满足了低温、高温及温度变化范围大的场合，

满足了长期运行后的抗开裂要求，解决了“厚绝缘(6mm)技术”难于解决的开裂问题，使干

式变压器在技术上得到可靠的保障。过负载能力强：若相同容量的变压器负载损耗相等时，

则铜箔的面积将比铜导体相应增大，体积增大后，填料树脂用量相应增多，因此绕组热容性

大，变压器短时超载能力强。阻燃性能好：采用环氧树脂真空浇注工艺无环境污染，有利于

环境保护，该变压器具有免维护、防潮、抗湿热、阻燃和自熄特性，适用于各种环境及条件

恶劣的场合。损耗低、杂讯低：铁芯通常采用矿物氧化物绝缘的优质冷轧硅钢片，通过先进

的加工工艺，使损耗水准和空载电流降至最低，并取得非常低的杂讯水准。同时装配好的铁

芯，在其表面封涂F级树脂漆，以防尘、防腐、防烟雾和锈蚀。耐温等级高：环氧树脂干式

变压器属于F级或H级绝缘，长期可在155℃或180℃高温下安全运行。在相同容量下，它

的体积小、重量轻，可节约安装费用等。相关技术规范：①容量≤10000KVA;②电压≤35KV;③

绝缘等级F级或H级。 配电变压器具有容量不大，电压不高的特点而环氧树脂干式(灌封)

变压器具有良好的电气和机械性能、较高的耐热等级，并且是一种可靠的安全性的环保、节

能型新产品，能适应多种恶劣环境。通过使用环氧树脂干式(灌封)变压器可减少维护工作量

和增强安全性，创造附加价值;变压器油的减少也将大幅度降低用于清洁和更换油的维护成

本，同时由于用油量的减少，可降低由于渗漏油造成的环境污染的风险;同时环氧树脂干式

(灌封)变压器较好的超铭牌运行能力和抗短路能力，将给安全供电带来可靠的保证。由于环

氧树脂干式(灌封)变压器比充矿物油的变压器(油浸式变压器)更具有优越的安全性和其他

一些固有优点，从而越来越替代油浸式变压器而常用于分配电能。