双通道旋转变压器接线模式分析

王志宏，宦 昱，俞 华

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州 225101）

0 引言

角度传感器是构成伺服系统的重要组成部分，作为闭环控制系统的反馈环节，其测量精度和可靠性将直接影响系统的控制性能［1］。旋转变压器是一种常用的角度传感器，具有成本低、精度高、环境适应能力强等特点，在伺服系统中获得了广泛应用［2］。

为进一步提高测量分辨率，可采用两套旋转变压器和减速器配合，通过配置适当的减速比和数据组合算法，得到更高分辨率的测量数据，但这种方式的结构复杂，可靠性和稳定性较低［3］。随着技术的发展，出现了无需机械减速器配合的双通道旋转变压器，较传统的机械传动方式，其性能和可靠性得到了显著提升。双通道旋转变压器中集成了精通道和粗通道两组反馈线圈，共有5 对引出线，其接线较复杂，在设备的装配和调试过程中，易出现接线错误，引起组合数据出错，导致系统无法正常工作［4］。

本文将基于双通道旋转变压器的工作原理，对工程中常见的错误接线模式进行分析，给出在不同模式下的反馈数据和组合数据曲线图，并总结出错误接线模式修正流程图，方便进行对应的接线修改和工程调试。

1 旋转变压器工作原理

图1 旋转变压器组成结构图

旋转变压器也称作解算器（Resolver），简称旋变，由定子和转子组成，工作原理与普通变压器相似，其定子绕组和转子绕组分别相当于传统变压器的原边绕组和副边绕组，组成结构如图1所示。图中R2、R4 对应的引脚通常在内部短接；外部引脚保留R1和R3作为激磁信号的输入端；转子上的S1～S4作为反馈信号的输出端，与轴角解码RDC（Resolver to Digital Convertor）芯片的对应管脚相连［5］。

由旋转变压器的结构和工作原理可知，两个转子绕组输出电压为：

式中：US1-S3、US4-S2分别为正弦绕组和余弦绕组的输出电压；URL-RH为激磁绕组输入电压；K、f、θ分别为比例系数、激磁信号频率、当前转子转角；αx和αy分别为两个绕组输出信号与激磁信号间的相位差，通常可忽略不计。

设αx和αy均为0°，令UR＝ KURL-RHsin（2πft），并分别用U13和U42表示US1-S3和US4-S2，则转子绕组的输出电压可表示为：

RDC芯片通过外部引脚同时与激磁电压和转子反馈电压相连，即可实时得到U13、U42和UR的数值，通过内部解算可得到当前的转子转角为［6］：

2 双通道旋变数据组合

通常，对于一个单通道旋变，若对应RDC芯片的转换分辨率设置为12位，则当旋变的转子旋转一周时，RDC芯片的输出为0x000～0xFFF的12位并行总线数据。对于位置检测精度要求较高的系统，一台单通道旋变将无法满足需求。在双通道旋变中，在转子中加入精通道绕组，当旋变的转子旋转一周时，对应的精通道数据将旋转N圈。其中N为粗精通道比，通常可取16、32和64等。

图2 双通道旋变数据组合原理

设粗精通道比为32∶1，粗通道与精通道对应RDC芯片的输出分辨率均为12 位，则可通过粗精通道数据组合算法，得到组合后的17位数据，提高位置传感器的测量分辨率，双通道旋变数据组合原理与流程如图2～3 所示。为了得到正确的组合数据，必须保证粗通道低7位数据和精通道高7 位数据间的差值小于32，即粗精通道数据的零点应对齐，且粗通道零点与精通道零点间的角度偏差小于2.8°。通常，双通道旋变在设计和加工过程中会保证粗精通道数据的零点偏差满足使用要求。

图3 双通道旋变数据组合流程图

3 双通道旋变接线模式分析

由上述内容可知，将旋变的引出线与RDC芯片的对应引脚相连，输入额定幅值和频率的激磁电压信号后，即可通过读取粗、精通道对应RDC芯片输出的数据，并进行组合后得到转子的转动角度。此时，若旋变的引出线与RDC芯片引脚连线因装配、设计等出现错误，则将导致解算后的精通道数据的零点偏差超出允许范围，导致数据组合出错。由于粗通道信号接线错误后只改变组合数据的零点位置，不影响数据组合，因此，以下讨论均针对精通道信号的接线部分。

旋变精通道引线用S1～S4 表示，其中S1、S3 为正弦绕组；S4、S2为余弦绕组，分别对应RDC芯片的S1′～S4′引脚。通常，可通过测量旋变绕组间电阻的方式确定绕组的配对情况，在以下讨论中，将不考虑绕组接线配对错误的情况，仅针对双通道旋变中精通道引出线与RDC芯片间成对绕组的7种错误线模式进行分析，并根据分析结果给出对应的正确接线模式。为便于分析，假设双通道旋变的粗精通道比为1∶8，旋变转子的转速为60 r/min。

第一种错误接线模式如图4 所示，此时RDC 芯片中S1′和S3′引脚对应的旋变引出线接反，可得RDC 侧输入的电压分别为：

令θ′ ＝ - θ，可得：

式中：RDC芯片解算得到的转子转角为θ′，其与旋变转子真实转角θ间的关系为：

当精通道旋变接线按此方式接错时，得到的组合数据如图5所示。

图4 错误接线模式1示意图

图5 接线模式1对应的组合数据

第二种错误接线模式如图6（a）所示，此时RDC 芯片中S4′和S2′引脚对应的旋变引出线接反。采用上述分析方法可得RDC芯片解算得到的转子转角θ′ ＝- θ +180°，当精通道旋变接线按此方式接错时，得到的组合数据如图6（b）所示。

图6 错误接线模式2 及组合数据示意图

基于相同的分析方法，可以得到在7种错误接线模式下，RDC芯片转换得到的转子转角数据θ′和真实的数据θ之间的关系，如表1所示。在不同的错误接线模式下，可能导致解算得到的转子转角数据与真实数据之间存在符号和相位的差异。此时，可根据表1的结果，通过转换数据θ′与真实数据θ之间的关系确定错误接线模式的编号，获取RDC 芯片和旋变绕组当前的连接关系，并以此为依据进行接线的修改，得到正确的转换结果。

表1 错误接线模式与转换结果对应表

若双通道旋变的精通道接线错误，则在与上述分析相同的仿真条件下，可得到不同的错误接线模式对应的粗精组合数据，如图7～11所示。

图7 接线模式3 对应的组合数据

图8 接线模式4 对应的组合数据

图9 接线模式5 对应的组合数据

图10 接线模式6 对应的组合数据

图11 接线模式7 对应的组合数据

在实际工程调试中，若系统中采用了双通道旋变，且由于精通道接线模式导致组合数据错误，则可根据本节给出的不同错误接线模式下对应的组合数据曲线，与实际测得的曲线进行对比，确定当前的接线模式，并进行对应的接线修改，以得到正确的组合解算数据。

由表1还可知，在表中的任意接线模式下，如将RDC芯片对应正弦绕组引脚S1′和S3′的接线进行对调，则得到的新转换结果θ″与当前转换结果θ′的关系为θ″ ＝- θ′；将RDC芯片对应余弦绕组引脚S4′和S2′的接线进行对调，则得到的新转换结果θ″与当前转换结果θ′的关系为θ″ ＝ - θ′ +180°；将RDC芯片对应正弦绕组引脚S1′、S3′的接线与余弦绕组引脚S4′、S2′的接线进行成对调换，则得到的新转换结果θ″与当前转换结果θ′的关系为θ″ ＝- θ′ + 90°。在工程应用中，可利用上述关系快速完成接线修改，得到正确的转换数据。旋转变压器错误接线修正流程如图12所示。

根据上述分析结果，如在调试现场不能确定旋变每根接线对应的准确定义，则无法根据表1 的结论直接进行接线修改。此时，通过进一步分析，可以得到旋转变压器错误接线修正流程如图12所示。首先转动旋变转子，使粗通道输出数据为0°，判断精通道输出数据是否为90°或-90°，如相位差为±90°，则组间对调正弦绕组和余弦绕组的接线，否则，直接进入下一步；如解算数据正确，则输出解算数据，结束接线修正流程，否则，继续判断数据的正方向与预定方向是否一致；如正方向一致，则分别组内对调正弦绕组和余弦绕组的接线，即可得到正确的输出数据，如正方向不一致，则组内对调任意一对绕组接线，返回上述的第二步；如数据仍然不正确，则继续按流程图组间对调正弦绕组和余弦绕组的接线，即可得到正确的输出数据。

图12 旋转变压器错误接线修正流程图

4 结束语

针对双通道旋变接线复杂，易出现接线错误，导致组合数据异常等问题，本文通过分析双通道旋变的工作原理和数据组合方法，对不同的错误接线模式下解算出的数据进行了分析，得到了其与真实数据间的关系以及各种接线模式对应的双通道旋变组合数据的曲线图，并给出了错误接线模式修正流程图，方便工程应用。分析结果对双通道旋变的调试具有一定的指导意义和应用价值。