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2023-10-21
旋转变压器在数控机床中的应用
【摘要】：旋转变压器可单独和滚珠丝杠相连，也可与伺服电动机组成一体。旋转变压器的结构如图3-6所示。在数控机床的丝杠的一端安装旋转变压器，便可测出丝杠转角，从而间接检测出机床移动部件的直线位移量。
1.旋转变压器的结构和工作原理
旋转变压器属于电磁式位置检测传感器，可用于角位移的测量，在结构上与绕线式异步电动机类似，也由定子和转子组成，励磁电压接到定子绕组上，励磁频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz。转子绕组输出感应电压，输出电压随被测角位移的变化而变化。旋转变压器可单独和滚珠丝杠相连，也可与伺服电动机组成一体。旋转变压器的结构如图3-6所示。
图3-6 旋转变压器
1—电动机轴 2—外壳 3—分解器定子 4—变压器定子绕组 5—变压器转子绕组 6—变压器转子 7—变压器定子 8—分解器转子 9—分解器定子绕组 10—分解器转子绕组
通常应用的旋转变压器为二极旋转变压器，其定子绕组和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组，定子绕组为一次侧，转子绕组为二次侧。励磁电压接到一次侧，感应电动势由二次侧输出。如图3-7所示，设加到定子绕组的励磁电压U1=Umsinωt，通过电磁耦合，转子绕组则产生感应电压U2，当转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定角度θ时，转子绕组中产生的感应电压为
U2=KU1sinθ=KUmsinωtsinθ （3-1）
式中 Um——励磁电压的幅值；
K——电压比，K=N2/N1（N1、N2——转子、定子绕组的匝数）；
θ——两绕组轴线夹角。
两磁轴垂直时，不产生感应电压，U2=0，当两磁轴平行时（θ=90°），感应电压最大，U2=KUmsinωt。
在图3-8中若将定子绕组中的一个绕组短接，而将另一个绕组通以单向交流电压U1，则在转子的两个绕组中得到的输出感应电压分别为
U2s=KU1cosθ=KUmsinωtcosθ （3-2）
U2c=KU1sinθ=KUmsinωtsinθ （3-3）
图3-7 旋转变压器工作原理
图3-8 正弦、余弦旋转变压器的原理
可以看出，绕组中的感应电压是转子转角θ的正弦和余弦函数，所以，又称其为正弦、余弦旋转变压器。
2.旋转变压器的应用
在图3-9中将正弦、余弦旋转变压器转子的一个绕组短接，而定子的两个绕组分别通入磁电压，应用叠加理论，可得到以下两种典型的工作方式。
（1）相位比较工作方式（鉴相工作法）用函数发生器给定子的两个绕组分别通以同频、同幅，但相位相差π/2的交流励磁电压，即
U1s=Umsinωt （3-4）
应用叠加理论，转子绕组中的感应电压为这两个信号电压分别感应的电压叠加，即
U2=KU1ssinθ+KU1ccosθ
=KUmsinωt+KUmcosωtcosθ （3-6）
通过计算得到
U2=KUmcos（ωt-θ） （3-7）
如果转子反转，同理可得
U2=KUmcos（ωt+θ） （3-8）
从上述分析可以得到转子输出电压的相位角与转子的偏转角之间的对应关系。通过检测转子输出电压的相位角，就可以测量任何与转子轴相连接的被测轴的偏转角。在数控机床的丝杠的一端安装旋转变压器，便可测出丝杠转角，从而间接检测出机床移动部件的直线位移量。
（2）幅值比较工作方式（鉴幅工作法）用函数发生器给定子的两个正交绕组分别通以频率相同、相位相同，但幅值不同（即分别按正、余弦变压）的交流励磁电压，则得到
U1s=Usmsinωt （3-9）
U1c=Ucmsinωt （3-10）
其中，Usm=Umsinφ，Ucm=Umcosφ。
应用叠加理论，则转子绕组上的感应电压为
图3-9 一个转子绕组短接的旋转变压器
若转子反转，同理可得
U2=KUmcos（ωt+θ）sinωt （3-12）
由此可得转子感应电压的幅值与转子的转角θ的关系。在实际应用中，可以根据转子误差电压值不断修正励磁信号中的φ角（即励磁幅值），使其跟踪θ的变化。
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