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旋转变压器的鉴相方式

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  在伺服系统中,变压器一次侧为了实现高精度的控制,往往需要实时地检测出电动机转子的位置。用来检测电动机转子位置的角度传感器主要有光电编码器和旋转变压器。光电编码器虽然能够达到很高的精度,但是它的抗干扰性差,不宜应用在条件恶劣的场合中;相比较而言,旋转变压器(简称旋变)由于结构简单,坚固耐用,抗干扰性强,能够应用在各种条件恶劣的场合中,所以获得了越来越广泛的应用。

  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。

  由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子(旋转一周)之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律,因此,当激磁电压加到定子绕组时,通过电磁耦合,转子绕组便产生感应电势。图2为两极旋转变压器电气工作原理图。图中Z为阻抗。

  式中K——旋转变压器的变比;Vm-Vs的幅值;θ——转子的转角,当转子和定子的磁轴垂直时,θ=0。如果转子安装在机床丝杠上,定子安装在机床底座上,则θ角代表的是丝杠转过的角度,它间接反映了机床工作台的位移。由上式可知,转子绕组中的感应电势VB为以角速度ω随时间t变化的交变电压信号。其幅值KVmsinθ随转子和定子的相对角位移θ以正弦函数变化。因此,只要测量出转子绕组中的感应电势的幅值,便可间接地得到转子相对于定子的位置,即θ角的大小。

  以上是两极绕组式旋转变压器的基本工作原理,在实际应用中,变压器一次侧考虑到使用的方便性和检测精度等因素,常采用四极绕组式旋转变压器。这种结构形式的旋转变压器可分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式。

  鉴相式工作方式是一种根据旋转变压器转子绕组中感应电势的相位来确定被测位移大小的检测方式。如图3所示,定子绕组和转子绕组均由两个匝数相等互相垂直的绕组组成。图中S1S2为定子主绕组,K1K2为定子辅助绕组。当S1S2和K1K2中分别通以交变激磁电压时

  由此可见,旋转变压器转子绕组中的感应电势VB与定子绕组中的激磁电压同频率,但相位不同,其差值为θ。而θ角正是被测位移,故通过比较感应电势VB与定子激磁电压信号VK的相位,便可求出θ。

  在图3中,转子绕组A1A2接一高阻抗,它不作为旋转变压器的测量输出,主要起平衡磁场的作用,目的是为了提高测量精度。

  鉴幅式工作方式是通过对旋转变压器转子绕组中感应电势幅值的检测来实现位移检测的。其工作原理如下:参看图3,设定子主绕组S1S2和辅助绕组K1K2分别输入交变激磁电压

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