旋轉變壓器（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自動化、伺服控制系統中具有重要地位。

一、旋轉變壓器的工作原理

旋轉變壓器的工作原理基于電磁感應定律，即當磁通量發生變化時會在導體中產生感應電動勢。其核心在于通過旋轉磁場與固定及旋轉繞組之間的相互作用，實現電能的傳遞和角度信息的轉換。

1. 基本結構

旋轉變壓器主要由定子和轉子兩部分組成：

• 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磁場。
• 轉子 ：轉子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應電壓。轉子繞組由導線纏繞而成，隨著旋轉角度的改變，旋轉繞組中的導線會穿過旋轉磁場中的不同磁通量，從而在導線中感應出不同大小的電動勢。

此外，旋轉變壓器還包括支撐系統和感應系統等輔助部件，以確保其穩定運行和精確測量。

2. 工作過程

旋轉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磁場。這個旋轉磁場是旋轉變壓器工作的基礎。
• 感應過程 ：隨著轉子的旋轉，轉子繞組中的導線會穿過旋轉磁場中的不同磁通量。根據電磁感應定律，這些變化的磁通量會在轉子繞組中產生感應電動勢。
• 磁耦合與電能傳遞 ：由于定子和轉子繞組之間存在磁耦合，轉子繞組中感應出的電動勢會被耦合到定子繞組中。通過不同的接線方式，可以實現電能傳遞、電流變換等目的。

3. 輸出特性

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

二、旋轉變壓器的作用

旋轉變壓器在工業自動化和伺服控制系統中具有廣泛的應用，其主要作用可以歸納為以下幾個方面：

1. 角度位置測量

旋轉變壓器最基本的作用就是測量旋轉物體的轉軸角位移。通過檢測轉子繞組中感應出的電動勢大小和方向，可以推算出轉子的旋轉角度。這種測量方式具有高精度、高可靠性和無接觸等優點，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，旋轉變壓器還可以用于測量旋轉物體的角速度。通過連續監測轉子繞組中感應電動勢的變化率，可以計算出轉子的角速度。這種測量方式對于實現運動控制中的速度反饋和閉環控制具有重要意義。

3. 坐標換算和函數運算

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

4. 伺服系統中的應用

在伺服控制系統中，旋轉變壓器作為角度信號的產生和檢測元件發揮著重要作用。它可以將電機的旋轉角度轉換為電信號輸出給控制系統，同時接收控制系統的指令信號調整電機的旋轉角度。這種閉環控制方式可以大大提高伺服系統的精度和穩定性。

5. 高精度檢測系統

對于需要高精度檢測的系統來說，旋轉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、精密機械等領域得到了廣泛應用。例如，在飛機自動駕駛系統中使用旋轉變壓器可以精確測量飛行器的姿態和航向；在精密機床中使用旋轉變壓器可以實現高精度的位置控制和加工精度。

三、旋轉變壓器的類型與特點

旋轉變壓器根據其結構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用場景。

1. 兩極繞組和四極繞組旋轉變壓器

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

2. 磁阻式旋轉變壓器

磁阻式旋轉變壓器（Variable Reluctance Resolver, VRR）是一種特殊類型的旋轉變壓器，它利用磁阻效應來工作，而非傳統的電磁感應。磁阻式旋轉變壓器通常包含一個固定繞組和一個或多個轉子，轉子上裝有磁阻材料（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，會在其周圍產生一個交變磁場。隨著轉子的旋轉，轉子上的磁阻材料會周期性地改變磁通路徑的磁阻。這種磁阻的變化導致磁通量的變化，進而在固定繞組或附加的檢測繞組中產生與轉子位置相關的感應電動勢。通過測量這個感應電動勢，可以解算出轉子的角度位置。

特點

1. 高精度 ：磁阻式旋轉變壓器由于其獨特的結構和工作原理，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。
2. 高可靠性 ：由于無滑動接觸部件，磁阻式旋轉變壓器具有較高的可靠性，減少了因磨損或接觸不良導致的故障。
3. 環境適應性強 ：磁阻式旋轉變壓器能在較寬的溫度范圍內工作，且對電磁干擾的抵抗能力較強，適用于各種惡劣環境。
4. 輸出信號豐富 ：除了基本的角度位置信息外，磁阻式旋轉變壓器還可以提供與速度、加速度等相關的信號，為控制系統提供更多維度的反饋。

四、旋轉變壓器的應用實例

1. 伺服電機控制

在伺服電機控制系統中，旋轉變壓器作為位置傳感器，實時監測電機的轉子位置，并將位置信息反饋給控制器?？刂破鞲鶕恢梅答佇盘栒{整電機的控制策略，以實現精確的位置控制、速度控制和力矩控制。旋轉變壓器的高精度和穩定性對于提高伺服系統的整體性能至關重要。

2. 機器人關節控制

在工業機器人和精密機械臂中，旋轉變壓器被廣泛應用于關節的位置檢測和控制。通過安裝在關節處的旋轉變壓器，可以實時獲取關節的旋轉角度，從而實現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. 航空航天領域

在航空航天領域，旋轉變壓器因其高精度和高可靠性而被廣泛應用于飛行器的姿態控制和導航系統。例如，在飛機的自動駕駛系統中，旋轉變壓器可以測量飛行器的俯仰角、滾轉角和偏航角等關鍵參數，為飛行控制系統提供準確的位置反饋。同時，在航天器的姿態調整和穩定控制中，旋轉變壓器也發揮著重要作用。

4. 精密測量儀器

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

五、總結

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