雙通道旋轉變壓器接線模式分析

王志宏，宦 昱，俞 華

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇揚州 225101）

0 引言

角度傳感器是構成伺服系統的重要組成部分，作為閉環控制系統的反饋環節，其測量精度和可靠性將直接影響系統的控制性能［1］。旋轉變壓器是一種常用的角度傳感器，具有成本低、精度高、環境適應能力強等特點，在伺服系統中獲得了廣泛應用［2］。

為進一步提高測量分辨率，可采用兩套旋轉變壓器和減速器配合，通過配置適當的減速比和數據組合算法，得到更高分辨率的測量數據，但這種方式的結構復雜，可靠性和穩定性較低［3］。隨著技術的發展，出現了無需機械減速器配合的雙通道旋轉變壓器，較傳統的機械傳動方式，其性能和可靠性得到了顯著提升。雙通道旋轉變壓器中集成了精通道和粗通道兩組反饋線圈，共有5 對引出線，其接線較復雜，在設備的裝配和調試過程中，易出現接線錯誤，引起組合數據出錯，導致系統無法正常工作［4］。

本文將基于雙通道旋轉變壓器的工作原理，對工程中常見的錯誤接線模式進行分析，給出在不同模式下的反饋數據和組合數據曲線圖，并總結出錯誤接線模式修正流程圖，方便進行對應的接線修改和工程調試。

1 旋轉變壓器工作原理

圖1 旋轉變壓器組成結構圖

旋轉變壓器也稱作解算器（Resolver），簡稱旋變，由定子和轉子組成，工作原理與普通變壓器相似，其定子繞組和轉子繞組分別相當于傳統變壓器的原邊繞組和副邊繞組，組成結構如圖1所示。圖中R2、R4 對應的引腳通常在內部短接；外部引腳保留R1和R3作為激磁信號的輸入端；轉子上的S1～S4作為反饋信號的輸出端，與軸角解碼RDC（Resolver to Digital Convertor）芯片的對應管腳相連［5］。

由旋轉變壓器的結構和工作原理可知，兩個轉子繞組輸出電壓為：

式中：US1-S3、US4-S2分別為正弦繞組和余弦繞組的輸出電壓；URL-RH為激磁繞組輸入電壓；K、f、θ分別為比例系數、激磁信號頻率、當前轉子轉角；αx和αy分別為兩個繞組輸出信號與激磁信號間的相位差，通常可忽略不計。

設αx和αy均為0°，令UR＝ KURL-RHsin（2πft），并分別用U13和U42表示US1-S3和US4-S2，則轉子繞組的輸出電壓可表示為：

RDC芯片通過外部引腳同時與激磁電壓和轉子反饋電壓相連，即可實時得到U13、U42和UR的數值，通過內部解算可得到當前的轉子轉角為［6］：

2 雙通道旋變數據組合

通常，對于一個單通道旋變，若對應RDC芯片的轉換分辨率設置為12位，則當旋變的轉子旋轉一周時，RDC芯片的輸出為0x000～0xFFF的12位并行總線數據。對于位置檢測精度要求較高的系統，一臺單通道旋變將無法滿足需求。在雙通道旋變中，在轉子中加入精通道繞組，當旋變的轉子旋轉一周時，對應的精通道數據將旋轉N圈。其中N為粗精通道比，通常可取16、32和64等。

圖2 雙通道旋變數據組合原理

設粗精通道比為32∶1，粗通道與精通道對應RDC芯片的輸出分辨率均為12 位，則可通過粗精通道數據組合算法，得到組合后的17位數據，提高位置傳感器的測量分辨率，雙通道旋變數據組合原理與流程如圖2～3 所示。為了得到正確的組合數據，必須保證粗通道低7位數據和精通道高7 位數據間的差值小于32，即粗精通道數據的零點應對齊，且粗通道零點與精通道零點間的角度偏差小于2.8°。通常，雙通道旋變在設計和加工過程中會保證粗精通道數據的零點偏差滿足使用要求。

圖3 雙通道旋變數據組合流程圖

3 雙通道旋變接線模式分析

由上述內容可知，將旋變的引出線與RDC芯片的對應引腳相連，輸入額定幅值和頻率的激磁電壓信號后，即可通過讀取粗、精通道對應RDC芯片輸出的數據，并進行組合后得到轉子的轉動角度。此時，若旋變的引出線與RDC芯片引腳連線因裝配、設計等出現錯誤，則將導致解算后的精通道數據的零點偏差超出允許范圍，導致數據組合出錯。由于粗通道信號接線錯誤后只改變組合數據的零點位置，不影響數據組合，因此，以下討論均針對精通道信號的接線部分。

旋變精通道引線用S1～S4 表示，其中S1、S3 為正弦繞組；S4、S2為余弦繞組，分別對應RDC芯片的S1′～S4′引腳。通常，可通過測量旋變繞組間電阻的方式確定繞組的配對情況，在以下討論中，將不考慮繞組接線配對錯誤的情況，僅針對雙通道旋變中精通道引出線與RDC芯片間成對繞組的7種錯誤線模式進行分析，并根據分析結果給出對應的正確接線模式。為便于分析，假設雙通道旋變的粗精通道比為1∶8，旋變轉子的轉速為60 r/min。

第一種錯誤接線模式如圖4 所示，此時RDC 芯片中S1′和S3′引腳對應的旋變引出線接反，可得RDC 側輸入的電壓分別為：

令θ′ ＝ - θ，可得：

式中：RDC芯片解算得到的轉子轉角為θ′，其與旋變轉子真實轉角θ間的關系為：

當精通道旋變接線按此方式接錯時，得到的組合數據如圖5所示。

圖4 錯誤接線模式1示意圖

圖5 接線模式1對應的組合數據

第二種錯誤接線模式如圖6（a）所示，此時RDC 芯片中S4′和S2′引腳對應的旋變引出線接反。采用上述分析方法可得RDC芯片解算得到的轉子轉角θ′ ＝- θ +180°，當精通道旋變接線按此方式接錯時，得到的組合數據如圖6（b）所示。

圖6 錯誤接線模式2 及組合數據示意圖

基于相同的分析方法，可以得到在7種錯誤接線模式下，RDC芯片轉換得到的轉子轉角數據θ′和真實的數據θ之間的關系，如表1所示。在不同的錯誤接線模式下，可能導致解算得到的轉子轉角數據與真實數據之間存在符號和相位的差異。此時，可根據表1的結果，通過轉換數據θ′與真實數據θ之間的關系確定錯誤接線模式的編號，獲取RDC 芯片和旋變繞組當前的連接關系，并以此為依據進行接線的修改，得到正確的轉換結果。

表1 錯誤接線模式與轉換結果對應表

若雙通道旋變的精通道接線錯誤，則在與上述分析相同的仿真條件下，可得到不同的錯誤接線模式對應的粗精組合數據，如圖7～11所示。

圖7 接線模式3 對應的組合數據

圖8 接線模式4 對應的組合數據

圖9 接線模式5 對應的組合數據

圖10 接線模式6 對應的組合數據

圖11 接線模式7 對應的組合數據

在實際工程調試中，若系統中采用了雙通道旋變，且由于精通道接線模式導致組合數據錯誤，則可根據本節給出的不同錯誤接線模式下對應的組合數據曲線，與實際測得的曲線進行對比，確定當前的接線模式，并進行對應的接線修改，以得到正確的組合解算數據。

由表1還可知，在表中的任意接線模式下，如將RDC芯片對應正弦繞組引腳S1′和S3′的接線進行對調，則得到的新轉換結果θ″與當前轉換結果θ′的關系為θ″ ＝- θ′；將RDC芯片對應余弦繞組引腳S4′和S2′的接線進行對調，則得到的新轉換結果θ″與當前轉換結果θ′的關系為θ″ ＝ - θ′ +180°；將RDC芯片對應正弦繞組引腳S1′、S3′的接線與余弦繞組引腳S4′、S2′的接線進行成對調換，則得到的新轉換結果θ″與當前轉換結果θ′的關系為θ″ ＝- θ′ + 90°。在工程應用中，可利用上述關系快速完成接線修改，得到正確的轉換數據。旋轉變壓器錯誤接線修正流程如圖12所示。

根據上述分析結果，如在調試現場不能確定旋變每根接線對應的準確定義，則無法根據表1 的結論直接進行接線修改。此時，通過進一步分析，可以得到旋轉變壓器錯誤接線修正流程如圖12所示。首先轉動旋變轉子，使粗通道輸出數據為0°，判斷精通道輸出數據是否為90°或-90°，如相位差為±90°，則組間對調正弦繞組和余弦繞組的接線，否則，直接進入下一步；如解算數據正確，則輸出解算數據，結束接線修正流程，否則，繼續判斷數據的正方向與預定方向是否一致；如正方向一致，則分別組內對調正弦繞組和余弦繞組的接線，即可得到正確的輸出數據，如正方向不一致，則組內對調任意一對繞組接線，返回上述的第二步；如數據仍然不正確，則繼續按流程圖組間對調正弦繞組和余弦繞組的接線，即可得到正確的輸出數據。

圖12 旋轉變壓器錯誤接線修正流程圖

4 結束語

針對雙通道旋變接線復雜，易出現接線錯誤，導致組合數據異常等問題，本文通過分析雙通道旋變的工作原理和數據組合方法，對不同的錯誤接線模式下解算出的數據進行了分析，得到了其與真實數據間的關系以及各種接線模式對應的雙通道旋變組合數據的曲線圖，并給出了錯誤接線模式修正流程圖，方便工程應用。分析結果對雙通道旋變的調試具有一定的指導意義和應用價值。