差動變壓器在腳踏主令控制器中的應用

胡萬玉

（天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅 天水 741020）

1 概述

差動變壓器以其結構簡單、良好的環境適應性、靈敏度高、測量精度高、線性度好、輸出穩定且輸出曲線光滑以及驅動力小等特點，廣泛應用于電子技術各種線位移的測量與轉換、儀表儀器以及傳感器技術當中。本文介紹一種差動變壓器在給定線性位移的情況下輸出一定的可控電氣量，從而實現主令控制的應用。針對設計制造、試制調試的過程中出現的各種問題，分析了差動變壓器的零點殘余電壓產生的原因和對實際電氣控制的影響，以及差動變壓器的幾何形狀尺寸、電和磁的各種參數的對稱性對零點殘余電壓的影響。

2 差動變壓器的結構與工作原理

差動變壓器的工作原理是將非電量的位移變化變換成線圈的互感變化，它本身是一種互感式變壓器。當變壓器的互感量隨位移的變化而變化時，輸出電壓將相應發生變化。常用的螺旋式差動變壓器由銜鐵、一次線圈、二次線圈和線圈骨架組成，如圖1所示。一次線圈作為變壓器激勵用，二次線圈由兩個結構參數與電氣參數相同的線圈反相串接而成，二次線圈因互感產生感應電勢。其感應電勢的理論計算如下：

輸出電勢總和為：

圖1 差動變壓器結構與原理

當銜鐵處在中間位置時，若兩個二次線圈參數及磁路尺寸相等，則 M1＝M2＝M，可得 E0＝－jω（M1－M2）I1＝0。

當銜鐵偏離中間位置時，M1≠M2，變壓器處在差動工作狀態，M1＝M＋ΔM M2＝MΔM，一定范圍內差值ΔM與銜鐵軸向位移X成正比，在負載開路的情況下，其輸出電勢為：E0＝－jω（M1－M2）I1＝－jω［（M＋ΔM）－（MΔM）］I1＝－jω2ΔMI1＝－jω2ΔMEi/（R1＋jωL1）。其中M1、M2分別為一次與二次線圈之間的互感；L1、R1為一次線圈的電感和電阻；Ei為一次線圈的激勵電壓；E21、E22分別為兩個二次線圈的感應輸出電勢；E0為差動輸出電勢；X軸上示出銜鐵偏離中心位置的距離。其輸出電勢與銜鐵位移之間的關系如圖2所示。

圖2 差動變壓器的輸出特性

3 差動變壓器在腳踏主令控制器中的應用

腳踏主令控制器是一種應用于石油電控系統中的電氣控制器件，該器件是操作人員通過腳踩踏板的方式，使一組四桿機構在一定范圍內運動，帶動一個偏心的凸輪機構轉動，傳遞給差動變壓器的銜鐵產生一定的線性位移，差動變壓器由于銜鐵的位移而輸出相應可控的電氣量，從而實現了電氣控制的要求。該器件的電氣性能要求為輸入50Hz、220V 交流電壓，當腳踏板在 0－26°范圍內轉動時，輸出電壓能在0－18V范圍內均勻變化。

腳踏主令控制器的結構形式如圖3所示。腳踏板2一端開啟，另一端穿套在兩端裝有軸承的踏板軸6上，可繞軸旋轉并通過復位彈簧5復位。腳踏板2的初始位置及角度行程通過踏板調節螺母4調節并鎖緊，腳踏板2通過四桿機構3與凸輪軸8相聯，偏心凸輪7通過鍵連接固定在橫穿于基座9的凸輪軸8上，基座9與腳踏座1、圓筒17相聯，形成一密閉腔體，凸輪機構與差動變壓器安裝在腔體中。銜鐵部件10前端是一頭部嵌有可轉動滾珠的圓柱體，該圓柱體與通過螺釘連接于基座9的支撐件11的沉孔面形成可動配合，銜鐵通過螺紋連接于圓柱體上，在銜鐵彈簧12作用下可自由作往復運動；銜鐵部件10通過滾珠與偏心凸輪7邊緣緊貼，可減小摩擦，使得銜鐵驅動靈活；繞組13的一端卡在支撐件11的凹槽里，另一端用設有凹槽的壓板14通過固定螺桿壓緊；外殼是前端與支撐件11螺紋連接、后端有底蓋15的圓筒17，進出線通過固定在底蓋15上的電纜引入裝置16引入。該器件結構簡單、緊湊，外殼材料為不銹鋼或黃銅、鋼材經過表面光亮鍍鎳處理，外觀精致，各螺紋連接處均設有密封圈，外殼防護等級可達到IP44以上。

圖3 腳踏主令控制器結構圖

該器件的四桿機構3和偏心凸輪7的設計應滿足圖4所示的腳踏板與凸輪軸的傳動特性和圖5所示的凸輪機構的輸入特性要求，當腳踏板0－26°范圍內轉動時，凸輪軸可在0－90°范圍內轉動，銜鐵的位移在0－18mm范圍內呈線性變化。

使用時，當腳踏板2踏下角度φ時，凸輪軸8轉過角度φ1，銜鐵部件10在偏心凸輪7的推動下，帶動銜鐵在線圈軸線方向產生相應的線位移S，從而兩副邊線圈中產生感應電壓差E，其輸出電壓E與位移S關系如圖6所示，接近線性關系。因此，其輸出電壓E與轉角φ基本成線性關系，能滿足設計要求。

圖4 腳踏板與凸輪軸的傳動特性

圖5 凸輪機構的輸入特性

圖6 腳踏主令控制器的輸出特性

4 應用中容易出現的問題及解決方法

理論上，當差動變壓器銜鐵處于線圈中間位置時，兩個二次線圈的感應電壓應該大小相等，方向相反，輸出合成電勢應為零。但實際上由于多種因素的影響，使輸出仍有不平衡電壓，此電壓稱之為“零點殘余電壓”。由于零點殘余電壓的存在，使得該主令控制器的輸出調零成為一個關鍵性問題。

零點殘余電壓是由差動變壓器電和磁的各種參數不對稱產生的。這些因素中除差動變壓器兩副邊線圈的幾何形狀尺寸、繞組匝數、線徑等電的參數以外，磁回路的對稱性也是一個非常重要的因素。

在實際使用中，該主令控制器對零點輸出電壓要求雖不是特別精確，只要求在≤0.2V范圍內即可，但在最初的試制過程中零點最低輸出在0.6－3V范圍內均出現過，從調試整改的過程中發現，主要原因有以下兩方面。

（1）電方面的影響

雖然在設計上可以對線圈的各種參數要求完全對稱，但在制造和工藝上是很難實現的。調試中發現，存在著因線圈的不對稱而造成零點輸出電壓偏高的現象。在測試時發現，如果將線圈調頭安裝，再調最低零點輸出電壓，其值與調頭前最大可以相差約0.6V左右。這說明由于線圈加工中的誤差會產生較大的零點殘余電壓。

（2）磁方面的影響

起初設計，線圈前端的支撐件11采用經鍍鎳處理的黃銅（材質H62）材料，后端壓板14采用酚醛層壓絕緣布板，底蓋15采用經鍍鎳處理的黃銅（材質H62）材料，圓筒17為不銹鋼材料，基座9采用普通鑄鋼，經表面鍍鎳處理。其零點輸出電壓竟高達3V左右，經分析發現，由于支撐件11和壓板14均為非鐵磁性材料，且形狀尺寸差異較大，造成磁路的不對稱，從而產生零點輸出電壓偏高較大的現象。而底蓋15、圓筒17及基座9等部件對輸出的影響則不大。將支撐件11和壓板14均采用鐵磁性不銹鋼材料（材質如1Cr13），且對尺寸調整到近似對稱，其零點輸出電壓可調整達到0.2V以內。從上述過程可以看出，磁路的不對稱也是產生較高的零點殘余電壓的一個重要因素。

另外，在更高精度要求的使用中，還可以采用對輸出電壓進行電氣補償的辦法，如加適當的電阻、電容或加反饋電路進行補償，其方法很多，這里不再贅述。還可以采用增減線圈匝數的實驗方法來調整零點殘余電壓，理論上是可行的，但實際操作比較繁瑣。

5 結束語

由采用差動變壓器原理設計制造的幾種類似的控制器件的實際使用情況來看，其性能的穩定性、重復性都比較好，由于器件采用了差動變壓器的電磁感應方式，不產生摩擦，無磨損，安全可靠，使用壽命長，在石油鉆機和礦井提升機的電氣控制系統中取得了很好的應用效果。

［1］譚祖根，李忠德.檢測自動化［M］.北京：機械工業出版社，1988.

［2］盧肇英譯.傳感器及其應用［M］.北京：中國鐵道出版社，1984.

［3］馬西秦.自動檢測技術（第3版）［M］.北京：機械工業出版社，2009.