旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver/Transformer），又稱同步分解器，是一種電磁式傳感器，其工作原理和作用在工業(yè)自動化、伺服控制系統(tǒng)中具有重要地位。

一、旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理基于電磁感應(yīng)定律，即當磁通量發(fā)生變化時會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。其核心在于通過旋轉(zhuǎn)磁場與固定及旋轉(zhuǎn)繞組之間的相互作用，實現(xiàn)電能的傳遞和角度信息的轉(zhuǎn)換。

1. 基本結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)變壓器主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成：

• 定子 ：定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓。勵磁頻率通常選用400Hz、3000Hz及5000Hz等標準頻率。定子繞組固定在不動的部分，通過交變電流生成一個旋轉(zhuǎn)磁場。
• 轉(zhuǎn)子 ：轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓。轉(zhuǎn)子繞組由導(dǎo)線纏繞而成，隨著旋轉(zhuǎn)角度的改變，旋轉(zhuǎn)繞組中的導(dǎo)線會穿過旋轉(zhuǎn)磁場中的不同磁通量，從而在導(dǎo)線中感應(yīng)出不同大小的電動勢。

此外，旋轉(zhuǎn)變壓器還包括支撐系統(tǒng)和感應(yīng)系統(tǒng)等輔助部件，以確保其穩(wěn)定運行和精確測量。

2. 工作過程

旋轉(zhuǎn)變壓器的工作過程可以概括為以下幾個步驟：

• 勵磁過程 ：將電源連接至定子繞組，通過交變電流生成一個旋轉(zhuǎn)磁場。這個旋轉(zhuǎn)磁場是旋轉(zhuǎn)變壓器工作的基礎(chǔ)。
• 感應(yīng)過程 ：隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組中的導(dǎo)線會穿過旋轉(zhuǎn)磁場中的不同磁通量。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這些變化的磁通量會在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。
• 磁耦合與電能傳遞 ：由于定子和轉(zhuǎn)子繞組之間存在磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電動勢會被耦合到定子繞組中。通過不同的接線方式，可以實現(xiàn)電能傳遞、電流變換等目的。

3. 輸出特性

旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。這種關(guān)系通常是正弦、余弦或線性等函數(shù)形式。具體形式取決于旋轉(zhuǎn)變壓器的設(shè)計參數(shù)和接線方式。例如，在某些高精度檢測系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓可能與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦或余弦函數(shù)關(guān)系；而在某些線性測量系統(tǒng)中，則可能保持線性關(guān)系。

二、旋轉(zhuǎn)變壓器的作用

旋轉(zhuǎn)變壓器在工業(yè)自動化和伺服控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用，其主要作用可以歸納為以下幾個方面：

1. 角度位置測量

旋轉(zhuǎn)變壓器最基本的作用就是測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移。通過檢測轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電動勢大小和方向，可以推算出轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度。這種測量方式具有高精度、高可靠性和無接觸等優(yōu)點，特別適用于需要精確控制角度位置的場合。

2. 角速度測量

除了測量角度位置外，旋轉(zhuǎn)變壓器還可以用于測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。通過連續(xù)監(jiān)測轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動勢的變化率，可以計算出轉(zhuǎn)子的角速度。這種測量方式對于實現(xiàn)運動控制中的速度反饋和閉環(huán)控制具有重要意義。

3. 坐標換算和函數(shù)運算

旋轉(zhuǎn)變壓器還可以作為解算元件使用，進行坐標換算和函數(shù)運算。在某些復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，需要將角度位置信息轉(zhuǎn)換為其他形式的坐標信息或進行特定的函數(shù)運算。旋轉(zhuǎn)變壓器通過其獨特的輸出特性，可以方便地實現(xiàn)這些功能。

4. 伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

在伺服控制系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度信號的產(chǎn)生和檢測元件發(fā)揮著重要作用。它可以將電機的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為電信號輸出給控制系統(tǒng)，同時接收控制系統(tǒng)的指令信號調(diào)整電機的旋轉(zhuǎn)角度。這種閉環(huán)控制方式可以大大提高伺服系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

5. 高精度檢測系統(tǒng)

對于需要高精度檢測的系統(tǒng)來說，旋轉(zhuǎn)變壓器是一種理想的選擇。其高精度、高可靠性和無接觸等特點使得它在航空航天、精密機械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，在飛機自動駕駛系統(tǒng)中使用旋轉(zhuǎn)變壓器可以精確測量飛行器的姿態(tài)和航向；在精密機床中使用旋轉(zhuǎn)變壓器可以實現(xiàn)高精度的位置控制和加工精度。

三、旋轉(zhuǎn)變壓器的類型與特點

旋轉(zhuǎn)變壓器根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作原理的不同可以分為多種類型，每種類型都有其獨特的特點和應(yīng)用場景。

1. 兩極繞組和四極繞組旋轉(zhuǎn)變壓器

• 兩極繞組旋轉(zhuǎn)變壓器 ：定子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極。這種結(jié)構(gòu)相對簡單但精度有限，適用于一般精度的測量和控制系統(tǒng)。
• 四極繞組旋轉(zhuǎn)變壓器 ：定子和轉(zhuǎn)子各有兩對磁極。這種結(jié)構(gòu)具有更高的精度和穩(wěn)定性，適用于高精度檢測系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)。

2. 磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器

磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器（Variable Reluctance Resolver, VRR）是一種特殊類型的旋轉(zhuǎn)變壓器，它利用磁阻效應(yīng)來工作，而非傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)。磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器通常包含一個固定繞組和一個或多個轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上裝有磁阻材料（如鐵磁材料）的凸極或凹槽。

工作原理

當固定繞組被通以交流電時，會在其周圍產(chǎn)生一個交變磁場。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的磁阻材料會周期性地改變磁通路徑的磁阻。這種磁阻的變化導(dǎo)致磁通量的變化，進而在固定繞組或附加的檢測繞組中產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的感應(yīng)電動勢。通過測量這個感應(yīng)電動勢，可以解算出轉(zhuǎn)子的角度位置。

特點

1. 高精度 ：磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器由于其獨特的結(jié)構(gòu)和工作原理，通常具有較高的角度測量精度，適用于需要高精度位置反饋的控制系統(tǒng)。
2. 高可靠性 ：由于無滑動接觸部件，磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器具有較高的可靠性，減少了因磨損或接觸不良導(dǎo)致的故障。
3. 環(huán)境適應(yīng)性強 ：磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器能在較寬的溫度范圍內(nèi)工作，且對電磁干擾的抵抗能力較強，適用于各種惡劣環(huán)境。
4. 輸出信號豐富 ：除了基本的角度位置信息外，磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器還可以提供與速度、加速度等相關(guān)的信號，為控制系統(tǒng)提供更多維度的反饋。

四、旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用實例

1. 伺服電機控制

在伺服電機控制系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器，實時監(jiān)測電機的轉(zhuǎn)子位置，并將位置信息反饋給控制器。控制器根據(jù)位置反饋信號調(diào)整電機的控制策略，以實現(xiàn)精確的位置控制、速度控制和力矩控制。旋轉(zhuǎn)變壓器的高精度和穩(wěn)定性對于提高伺服系統(tǒng)的整體性能至關(guān)重要。

2. 機器人關(guān)節(jié)控制

在工業(yè)機器人和精密機械臂中，旋轉(zhuǎn)變壓器被廣泛應(yīng)用于關(guān)節(jié)的位置檢測和控制。通過安裝在關(guān)節(jié)處的旋轉(zhuǎn)變壓器，可以實時獲取關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，從而實現(xiàn)對機器人運動軌跡的精確控制。這種控制方式對于提高機器人的工作精度、減少誤差累積具有重要意義。

3. 航空航天領(lǐng)域

在航空航天領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)變壓器因其高精度和高可靠性而被廣泛應(yīng)用于飛行器的姿態(tài)控制和導(dǎo)航系統(tǒng)。例如，在飛機的自動駕駛系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)變壓器可以測量飛行器的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角等關(guān)鍵參數(shù)，為飛行控制系統(tǒng)提供準確的位置反饋。同時，在航天器的姿態(tài)調(diào)整和穩(wěn)定控制中，旋轉(zhuǎn)變壓器也發(fā)揮著重要作用。

4. 精密測量儀器

在精密測量儀器中，如光學(xué)儀器、測量顯微鏡和激光加工設(shè)備等，旋轉(zhuǎn)變壓器常被用作角度測量元件。其高精度和穩(wěn)定性能夠確保測量結(jié)果的準確性，提高儀器的測量精度和可靠性。

五、總結(jié)

旋轉(zhuǎn)變壓器作為一種重要的電磁式傳感器，在工業(yè)自動化、伺服控制、航空航天和精密測量等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。其工作原理基于電磁感應(yīng)定律和磁阻效應(yīng)，通過測量轉(zhuǎn)子與定子之間的相對位置來實現(xiàn)角度信息的轉(zhuǎn)換和傳遞。旋轉(zhuǎn)變壓器具有高精度、高可靠性、無接觸和環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，為各種需要精確位置控制的系統(tǒng)提供了可靠的解決方案。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，旋轉(zhuǎn)變壓器將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動工業(yè)自動化和智能化進程的不斷深入。