伺服系统中电机旋转变压器低温故障分析与处理

马晓贺

（中国船舶集团有限公司第七一三研究所，河南郑州 450015）

伺服系统主要由驱动器和电机组成，电机中安装有转子位置传感器，用于检测电机转子的角度[1]。目前电机中的转子位置传感器主要有旋转变压器、霍尔器件、光栅编码器等。其中旋转变压器具有精度高、耐高温、耐高湿、耐高振动、抗干扰性强等优势，可广泛应用于武器装备、航空航天及汽车工业等领域[2]。

旋转变压器本质上是一种微电机，由定子绕组和转子绕组组成。旋转变压器的关键性能指标包括零位电压、相位移、变压比等。零位电压指输出绕组中感应电压最小时输出的电压。相位移指励磁电压与输出电压的基波分量间的相位差。对于伺服系统而言，结合解码芯片的锁相范围要求，过大或不稳定的相位移不满足要求。变压比指在规定励磁环境和空载条件下，最大输出电压的基波分量与励磁电压的基波分量之比[3]。

文章所研究的电机旋转变压器故障，是在低温试验过程中驱动器报旋转变压器故障。针对该故障，文章采用故障树法进行故障定位，通过复现旋转变压器的低温故障来验证故障定位的准确性，最后制订相应的处理措施，并通过一系列试验验证了措施的有效性。

1 故障现象

在进行机电设备伺服系统环境试验过程中发现，当电机（内含国产52XWF 型旋转变压器）处于低温环境（-30 ℃）、驱动器处于常温环境（30 ℃）时，驱动器报旋转变压器故障，电机无法正常运转；当电机恢复到常温（30 ℃）状态后，驱动器故障消失，电机恢复正常运转。多次重复低温试验，故障现象一致。

2 故障定位

故障树分析是一种由上向下的故障判别方法，判别步骤如下：①根据故障出现的实际情况识别出顶事件；②根据故障类型逐步分析其发生的原因和最基本的原因（底事件），构造出故障树；③对故障底事件进行逐一判断排除。

根据电机中旋转变压器的安装情况及其工作原理，对可能造成此次故障的原因进行梳理分析，建立故障树（图1）。

2.1 轴向安装尺寸的排查

对照安装技术图纸要求及工艺过程卡片检查旋转变压器轴向安装情况，发现均符合旋转变压器推荐的安装尺寸要求。故可以判定轴向安装尺寸费旋转变压器低温故障的原因。

2.2 径向安装尺寸的排查

经检查发现，电机旋转变压器定子与转子气隙均匀，表明径向安装尺寸符合旋转变压器推荐的安装尺寸要求。故可以判定径向安装尺寸非旋转变压器低温故障的原因。

2.3 外部电缆的排查

在进行常温和低温试验前，对电机外部信号电缆和动力电缆进行了绝缘及通断的测量，未发现接触不良、短路、断路等异常情况。为进一步确认，在低温状态下更换完好的电缆，故障现象与未更换电缆时一致。故可以判定外部电缆非旋转变压器低温故障的原因。

2.4 内部电缆的排查

取下旋转变压器，检查旋转变压器内部电缆接线情况，未发现虚焊、断线情况。故可以判定内部电缆非旋转变压器低温故障的原因。

2.5 低温下变压比的排查

低温下检测52XWF 型旋转变压器变压比为0.525（设计值为0.5±5%），符合要求。为进一步验证，更换同型号变压比为0.504的旋转变压器，低温状态下故障仍然存在。故可以判定低温下变压比非旋转变压器低温故障的原因。

2.6 低温下电气误差的排查

更换故障旋转变压器同型号但电气误差较小（8′）的旋转变压器，进行验证试验，常温测试良好。低温-30 ℃保温1 h，电气误差满足要求，但驱动器报旋转变压器故障，故障仍然存在。故可以判定低温下电气误差非旋转变压器低温故障的原因。

2.7 低温下相位移的排查

驱动器中的旋转变压器解码芯片可接受相位移为-44°～+44°。在常温下，用示波器测量52XWF型旋转变压器的相位移为37.4°，符合芯片锁相范围。

低温环境（-30 ℃）保温1 h 后，用示波器测量该型旋转变压器的相位移为44.6°，超过了驱动器解码芯片的锁相范围。故暂时判定低温下相位移超差疑似旋转变压器低温故障的原因。

将市面上常见的进口TS2640 型旋转变压器和国产J52XF 型旋转变压器放置在低温下保温1 h，再用示波器监测相位移发现，TS2640 型旋转变压器的相位移为28.8°，J52XF 型旋转变压器相位移为30.24°，均符合驱动器解码芯片锁相范围。

电机安装的52XWF 型旋转变压器在低温状态下的相位移超过了驱动器解码芯片的锁相范围，从而致使驱动器报旋转变压器故障。

3 机理分析

旋转变压器原理如图2所示。

图2 旋转变压器原理

旋转变压器的原理与传统变压器类似，在原边绕组（R1、R2）加上励磁电压，当旋转变压器转子转动时，S1、S3之间输出电压与转角成余弦关系，S2、S4之间输出电压与转角成正弦关系。输出的正、余弦信号通过驱动器中的解码芯片解析后，可以得到电机转子的位置等信息，从而实现对电机的控制。

根据电机旋转变压器与驱动器的原理，驱动器解码芯片（型号为AD2S1210）提供峰值为7V、频率为10kHz 的电压。驱动器对旋转变压器输出正、余弦信号进行解码，得到电机转速及转子位置，实现电机的闭环控制。AD2S1210型解码芯片可接受相位移为-44°～+44°，52XWF 型旋转变压器在低温状态下相位移为44.6°，超过该驱动器解码芯片的锁相范围，使得驱动器解码芯片解码故障，最终导致驱动器报旋转变压器故障，无法驱动电机正常运转。

4 故障复现

使用与原故障旋转变压器同型号、不同批次的52XWF 型旋转变压器进行试验验证，驱动器提供标准激磁电压，常温测试良好。

电机低温-30 ℃保温1 h，用驱动器带动电机运转，驱动器报旋转变压器故障，故障复现。

故障发生时，使用示波器测量该旋转变压器相位移为46.08°，超过驱动器解码芯片的锁相范围。

5 改进措施及验证

针对故障定位和机理分析，结合当前电机旋转变压器的结构及参数，在不改变电机结构的前提下，将电机旋转变压器由52XWF 型产品更换为J52XF 型产品。在常温状态两种旋转变压器均可满足技术要求。为进一步对比低温状态下两种旋转变压器的区别，将两种旋转变压器分别放在常温（30 ℃）与低温（-30 ℃）环境中进行试验，测量两种旋转变压器的相位移、输入阻抗、输出阻抗及变压比，得到的参数见表1。

表1 两种旋转变压器常温与低温状态参数对比

由表1可知，J52XF 型旋转变压器在低温状态下的相位移性能优于52XWF 型旋转变压器。52XWF型旋转变压器不能满足系统在低温-30 ℃的运行环境要求。

综上所述，两种旋转变压器结构一致，可在伺服系统电机上实现原位替换，不会改变电机结构。使用J52XF 型旋转变压器替换52XWF 型旋转变压器，能满足伺服系统在常温和低温运行状态下的要求。

将故障电机中的52XWF 型旋转变压器更换为J52XF 型旋转变压器，并按技术要求调整旋转变压器在电机中的初始位置，完善旋转变压器安装及接线工作，同时将该型号电机设计技术图纸及明细表中有关旋转变压器型号进行更新改版。

针对新更换的J52XF 型旋转变压器的环境适应性展开试验验证工作如下。

5.1 常温试验

电机更换新型号旋转变压器后，在常温环境下，用驱动器低压驱动电机运转良好，驱动器未报故障；在常温下对伺服系统进行高压380 V 测试，并进行带负载大正弦30 min 试验，伺服伺服系统运行良好。

5.2 低温试验

电机更换新型号旋转变压器后，在低温（-30 ℃）保温1 h 后，用驱动器低压驱动电机运转良好，驱动器未报故障；对伺服系统进行高压380V 测试，并进行带负载大正弦30 min 试验，伺服系统运行良好。电机在低温（-30 ℃）环境下进行了24 h 低温试验，试验期间伺服系统运转良好。

5.3 高温试验

在高温（65 ℃）保温1 h 后，用驱动器低压驱动电机运转良好，驱动器未报故障；对伺服系统进行高压380 V 测试，并进行带负载大正弦30 min 试验，伺服系统运行良好。电机在高温（65 ℃）环境下进行了24 h 高温试验，试验期间伺服系统运转良好。

5.4 振动及冲击试验

电机更换为J52XF 型旋转变压器后，在环境试验室按照相关国军标完成了电机振动、冲击试验，试验期间伺服系统运转良好。

经过以上试验验证，当伺服系统中电机的52XWF 型旋转变压器更换为J52XF 型旋转变压器后，性能指标能够满足系统各项环境试验的要求。

6 结束语

文章以解决电机中的旋转变压器低温故障为出发点，使用故障树分析法对旋转变压器的低温故障现象进行分析和定位，经排查分析可以确定电机中安装的52XWF 型旋转变压器在低温状态下相位移超差，使得驱动器解码芯片解码故障，导致驱动器报旋转变压器故障，从而无法正常驱动电机运转。并进一步通过机理分析、使用原型号旋转变压器对故障现象进行了复现。根据故障机理制订了更换低温状态下性能更好的J52XF 型旋转变压器的改进措施，并进行了常温、低温、高温等环境下的试验验证。试验结果表明，新型号的旋转变压器在各种环境下性能均满足要求，该问题得到圆满解决。该研究对其他有低温工作需求的电机设计、旋转变压器研究具有较高的参考价值。