旋转变压器的结构及工作原理

旋转变压器（Resolver）是一种模拟式角度传感器，广泛应用于高精度位置和速度检测（如伺服系统、航空航天、机器人等）。其结构和工作原理基于电磁感应，具有高可靠性、抗干扰能力强等特点。以下是详细解析：

一、旋转变压器的结构

旋转变压器主要由定子和转子两部分组成，类似于电机的结构，但专为角度测量设计：

1. 定子（Stator）

   • 固定在壳体上，通常由硅钢片叠压制成，槽内嵌有绕组。

   • 包含两组在空间上正交（相差90°）的线圈：正弦绕组（Sin）和余弦绕组（Cos）。

   • 定子绕组通过高频交流电（通常为几千Hz至几十kHz）激励。

2. 转子（Rotor）

   • 旋转部分，与电机轴或被测机构连接。

   • 转子绕组分为两种类型：

     • 单绕组转子：通过滑环或无线耦合（无刷设计）输出信号。

     • 双绕组转子：无需滑环，但需外部激励（较少见）。

   • 转子的旋转会调制定子绕组的电磁耦合，输出与角度相关的信号。

3. 无刷设计（常见于现代应用）

   • 通过变压器耦合代替滑环，提高寿命和可靠性。

   • 额外增加一个“旋转变压器”作为励磁耦合器，避免物理接触。

二、工作原理

旋转变压器基于变压器原理，通过电磁耦合将转子角度信息编码到输出信号中：

1. 励磁信号

   • 定子（或转子）的励磁绕组输入高频正弦交流电（例如 $V_{ex} = A\sin(\omega t)$Vex=Asin(ωt)）。

   • 典型频率：1kHz~10kHz，幅值几伏至几十伏。

2. 信号调制

   • 转子旋转时，其绕组与定子绕组的耦合程度随角度变化，输出信号幅值与转子角度 $\theta$θ 成正/余弦关系：

     $$V_{\text{sin}} = k \cdot V_{ex} \cdot \sin\theta \quad \text{（正弦输出）} \\ V_{\text{cos}} = k \cdot V_{ex} \cdot \cos\theta \quad \text{（余弦输出）}$$Vsin=k?Vex?sinθ（正弦输出）Vcos=k?Vex?cosθ（余弦输出）

     其中 $k$k 为变压比，$\theta$θ 为转子机械角度。

3. 角度解算

   • 通过测量 $V_{\text{sin}}$Vsin 和 $V_{\text{cos}}$Vcos 的幅值比例，可计算出角度 $\theta$θ：

     $$\theta = \arctan\left(\frac{V_{\text{sin}}}{V_{\text{cos}}}\right)$$θ=arctan(VcosVsin)

   • 实际应用中需使用专用解算芯片（RDC）或数字信号处理（DSP）将模拟信号转换为数字角度。

三、关键特点

1. 高精度：可达±5角分（0.08°），无累积误差。

2. 抗干扰：模拟信号对电磁噪声不敏感，适合恶劣环境。

3. 无接触：无刷设计免维护，寿命长。

4. 多极对设计：通过增加极对数可提高分辨率（如1对极=360°范围，多对极=360°/n）。

四、应用场景

• 伺服电机：替代光电编码器，用于工业机器人、数控机床。

• 航空航天：飞机舵面控制、惯性导航系统。

• 新能源汽车：电机转子位置检测。

五、与光电编码器的对比