旋转变压器是一种常用的转角检测元件,由于它结构简单,工作可靠,且其精度能满足一般的检测要求,因此被广泛应用在数控机床上。

1.旋转变压器的结构

旋转变压器的结构和两相绕线式异步电动机相似,可分为定子和转子两大部分。其绕组分别嵌入各自的槽状铁芯。定子绕组通过固定在壳体上的接线引出。转子绕组有两种不同的引出方式,根据转子绕组两种不同的引出方式可将旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。图3-24所示是有刷式旋转变压器。它的转子绕组是通过滑环和电刷直接引出的。图3-25所示是无刷式旋转变压器,它分为两大部分,即旋转变压器本体和附加变压器。附加变压器的一次侧、二次侧铁芯及绕组均做成环形,分别固定于壳体和转子轴上,径向留有一定的间隙。旋转变压器本体的绕组与附加变压器二次侧绕组连在一起,因此,通过电磁耦合,附加变压器二次侧上的电信号(也就是旋转变压器转子绕组中的电信号)经附加变压器二次绕组间接地送了出去。

图3-24　有刷式旋转变压器

图3-25　无刷式旋转变压器

2.旋转变压器的工作原理

旋转变压器在结构上保证了其定子和转子之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律。因此,当励磁电压加到定子绕组时,通过电磁耦合,转子绕组便产生感应电势。图3-26所示为两极旋转变压器电气工作原理图,图中Z 为阻抗。设加在定子绕组S1S2中的励磁电压以角速度ω 随时间t变化的交变电压Vs＝Vmsinωt则转子绕组B1B2中的感应电势为

式中,K 为旋转变压器的电压比;Vm为定子绕组中交变电压的幅值;θ 为转子的转角。

当转子和定子的磁轴垂直时,θ ＝0。如果转子安装在机床的丝杠上,定子安装在机床底座上,则θ 角代表的是丝杠转过的角度,即工作台移动距离。

由上式可知,转子绕组中的感应电势VB为以角速度ω 随时间t 变化的交变电压信号。其幅值KVmsinθ 随转子和定子的相对位置θ 以正弦函数变化。因此,只要测量出转子绕组中的感应电势的幅值,便可间接地得到转子相对定子的位置。

在实际应用中,常采用四极绕组式旋转变压器,而且多是正弦余弦旋转变压器,如图3-27所示。其定子和转子绕组中各有互相垂直的匝数相等的两个绕组。图中S1S2为定子主绕组,K1K2为定子辅助绕组,而转子的两个绕组A1A2和B1B2,如果一个是正弦绕组,另一个就是余弦绕组。就是说,当对定子绕组励磁时,经过电磁耦合作用,在转子绕组上得到的输出电压的幅度,严格地按转子转角θ 的正弦或余弦规律变化(正弦转子绕组输出正弦电压,余弦转子绕组输出余弦电压),其频率和励磁电压的频率相同。上述结构形式的旋转变压器有两种工作方式,一种叫鉴相式,一种叫鉴幅式。

图3-26　两极旋转变压器电气工作原理图

图3-27　四极绕组旋转变压器(www.daowen.com)

(1)鉴相式工作方式

鉴相式工作方式是根据旋转变压器转子绕组中感应电动势的相位来确定被测位移大小的检测方式。当S1S2和K1K2中分别通以交流励磁电压

根据线性叠加原理,在转子绕组B1B2中的感应电动势VB为

式中,VBS和VBK分别是励磁电压VS和VK在转子绕组B1B2中的感应电动势。

由上述可见,旋转变压器转子绕组中的感应电动势VB与定子绕组的励磁电压同频率,但相位不同,其差值为θ。因θ 角代表的是被测位移的大小,故通过比较感应电动势与定子励磁电压信号的相位,便可求出旋转变压器转子相对于定子的转角θ,即被测位移的大小。

(2)鉴幅式工作方式

鉴幅式工作方式是通过对旋转变压器转子绕组中感应电动势幅值的检测来实现检测的。设定子绕组S1S2和K1K2分别输入以角速度ω 随时间t变化的交流励磁电压

其中,Vmcosφ 和Vmsinφ 分别为励磁电压VS和Vk的幅值,φ 角可由伺服系统产生,通常称φ 为旋转变压器的电气角。

根据叠加原理,可以得出转子绕组B1B2中的感应电动势为

由上式可以看出,感应电动势VB是以角速度ω 为角频率的交变信号,其幅值为Vmsin(φ－θ)。若电气角φ 已知,那么只要测量出VB的幅值,便可间接地求出θ 值,即被测位移的大小。特别当感应电动势VB为零时,即

可得

该式说明旋转变压器电气角φ 的大小就是被测角位移的大小。只要逐渐地改变φ 值,使VB的幅值等于零,便可根据φ 值的大小得出被测位移θ 值。