來源：芯科集成

背景

旋轉變壓器（Resolver），又稱解算器或回轉變壓器，是一種模擬式角位移傳感器，能夠將機械轉角轉換為電信號輸出。它的歷史可以追溯到20世紀初，最早應用于軍事領域，特別是火炮控制系統(tǒng)和雷達天線定位。二戰(zhàn)期間，旋轉變壓器因其高可靠性和抗干擾能力在軍事裝備中得到廣泛應用。

20世紀50年代后，隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，旋轉變壓器逐漸進入民用領域，特別是需要精確位置反饋的伺服系統(tǒng)、數控機床和機器人等高端裝備。與光電編碼器相比，旋轉變壓器具有更強的環(huán)境適應能力，能夠在高溫、高濕、強振動和強電磁干擾等惡劣條件下穩(wěn)定工作。

基本原理

工作原理：旋轉變壓器工作時，轉子繞組通以高頻交流勵磁信號（通常為幾千赫茲到幾十千赫茲），在定子繞組中感應出與轉子角度位置相關的電壓信號。理想情況下，兩個定子繞組的輸出電壓可表示為：

Vs = V?·sin(ωt)·sinθ

Vc = V?·sin(ωt)·cosθ

其中：

·V?為信號幅值

·ω為勵磁角頻率

·θ為轉子機械轉角

通過檢測這兩個正交信號的幅值比，即可解算出轉子的角度位置。

技術發(fā)展與演變

旋轉變壓器技術經歷了多個發(fā)展階段：

·傳統(tǒng)旋轉變壓器: 早期產品體積較大，采用接觸式滑環(huán)供電，存在磨損和可靠性問題。隨著材料科學和制造工藝的進步，逐步發(fā)展出無刷旋轉變壓器，通過附加的旋轉變壓器耦合能量，消除了物理接觸，大幅提高了使用壽命。

·多極旋轉變壓器: 傳統(tǒng)單極旋轉變壓器每轉只能提供一個完整周期（360°電氣角對應360°機械角）。多極旋轉變壓器通過增加極對數，實現了更高的電氣分辨率，例如極對數為n的旋轉變壓器，電氣角θ_e與機械角θ_m的關系為：θ_e = n·θ_m。這使得在不提高制造精度的情況下，通過電氣細分可獲得更高的角度分辨率。

·數字式旋轉變壓器: 隨著數字信號處理技術的發(fā)展，出現了將模擬信號處理電路集成在傳感器內部的數字輸出型旋轉變壓器，簡化了系統(tǒng)集成難度。這類產品通常提供數字接口（如SPI、SSI或EtherCAT），可直接輸出數字角度值。

·集成化與微型化: 現代旋轉變壓器趨向于小型化和集成化，出現了與電機一體化的設計，以及針對特定應用（如電動汽車驅動電機）優(yōu)化的專用產品。同時，新材料如納米晶合金的應用進一步提高了性能并減小了體積。

應用領域

旋轉變壓器憑借其獨特優(yōu)勢，在多個領域得到廣泛應用：

·航空航天: 飛行控制系統(tǒng)的舵面位置反饋、慣性導航平臺的穩(wěn)定控制、航空發(fā)動機的轉子位置監(jiān)測等。在極端環(huán)境下，旋轉變壓器的可靠性遠高于光電編碼器。

·軍事裝備: 坦克炮塔定位、導彈發(fā)射架控制、艦載雷達天線位置反饋等。其抗電磁干擾能力特別適合戰(zhàn)場環(huán)境。

·工業(yè)自動化: 數控機床的轉臺定位、工業(yè)機器人的關節(jié)位置反饋、高精度伺服系統(tǒng)等。在重工業(yè)環(huán)境中，粉塵、油污和振動不影響其性能。

·新能源汽車: 電動汽車驅動電機的位置和速度檢測。電機轉子位置檢測精度直接影響轉矩輸出和能效, 高壓大電流環(huán)境下需抵抗強電磁干擾, 汽車要求-40℃到150℃的寬溫工作能力, 8-10年或15萬公里以上的使用壽命。旋轉變壓器耐高溫、抗干擾的特點完美匹配電機控制需求。

·能源領域: 風力發(fā)電機變槳系統(tǒng)、水輪機導葉控制等。大型設備的長期可靠運行需要旋轉變壓器的穩(wěn)定支持。

解碼方法與信號處理

·專用解碼芯片：專用集成電路（ASIC）如AD2S系列等，采用Type II跟蹤環(huán)路技術，實時跟蹤角度變化。其基本原理是通過反饋系統(tǒng)不斷調整內部角度估計值φ，使得估計角度誤差逐步趨近于0。當系統(tǒng)收斂時，φ即為估計的角度值。這類芯片具有響應快、抗干擾強的特點，但帶寬和分辨率通常固定。

·峰值檢測法： 峰值檢測法基于旋變輸出信號的瞬時幅值與轉子角度之間的三角函數關系。通過提取包絡線峰值，消除勵磁載波ωt的影響后，角度可通過反正切運算求得。

·鎖相環(huán)法：構建二階非線性控制系統(tǒng)，類似AD2S系列解碼芯片原理。系統(tǒng)輸入E·sin(ωt)·sin(θ-ψ)通過典型II型系統(tǒng)閉環(huán)調節(jié)（θ為電機實際角度，ψ為軟件估算角度），可將初始信號中的高頻信號濾除，最終使θ-ψ趨近于0，解出電機角度。

·積分法： 利用正交信號在整數周期內的積分特性, 通過解調-積分過程消除高頻載波，保留反映轉子位置的低頻包絡信息，再進行反正切運算求得角度信息。

芯科CX3288旋變解碼

芯科集成CX3288系列是基于RISC-V內核的高性能車規(guī)MCU，支持浮點運算指令，主頻達到300+MHz，Flash容量為512K~8MB，設計符合AEC-Q100 Grade1和功能安全ISO26262 ASIL-B的要求。

CX3288AE有42路12bit高精度ADC通道，支持差分連續(xù)采樣，最高可達2Mbps采樣率，輕松實現對旋轉變壓器輸出差分信號的高速精準采樣。支持DMA，實現旋變輸入信號的采樣結果實時傳輸，簡化外部電路設計和用戶代碼的實現。得益于高主頻和浮點指令的支持，CX3288擁有不俗的性能滿足數據處理場景，運算周期較常規(guī)的MCU大幅縮短。獲取采樣結果后轉為實際信號電壓，參與后續(xù)閉環(huán)環(huán)節(jié)的計算調節(jié)，既快速又準確地解算出電機實際角度。

芯科集成

結語

旋轉變壓器作為一種經典的角位移傳感器，歷經近一個世紀的發(fā)展，依然在眾多關鍵領域保持著不可替代的地位。其獨特的抗干擾能力、環(huán)境適應性和可靠性，使其在工業(yè)4.0和智能制造時代仍具有旺盛的生命力。隨著信號處理技術的進步和應用需求的多樣化，旋轉變壓器技術將持續(xù)創(chuàng)新，在更廣闊的領域發(fā)揮作用。未來，傳統(tǒng)旋轉變壓器與新型傳感器技術的融合，可能會催生出更具競爭力的新一代位置檢測解決方案。