旋轉(zhuǎn)變壓器位置傳感器旋變的主要結(jié)構(gòu)和工作原理

我們知道，開關(guān)霍爾傳感器因為它自身的一些特點往往應(yīng)用在對精度要求不高、工況相對單一、低成本的一些小控制器上。

而對于車用的大電機來說，我們最常用的還是旋轉(zhuǎn)變壓器（旋變）這一類位置傳感器。那么，下面就給大家詳細介紹一下旋變的相關(guān)內(nèi)容：

旋變的工作原理

激勵的產(chǎn)生

旋變的標定

旋變的工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器（旋變），是電機控制中常用的一種位置傳感器，用來反應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子位置，提供給軟件做電機控制等相關(guān)算法。

如上圖所示，旋變也可以理解為是一個小電機，也分定子與轉(zhuǎn)子，通常旋變的轉(zhuǎn)子安裝在電機的轉(zhuǎn)軸上，與電機同步旋轉(zhuǎn)，并在定子線圈中感應(yīng)出位置信息，由定子線圈傳遞出來，得到最終的位置。

旋變的結(jié)構(gòu)示意圖如上圖所示，中間的R1R2線圈為轉(zhuǎn)子線圈，S1S2、S3S4分別為互相垂直的定子線圈，當(dāng)R1R2中通入的是高頻正弦信號，我們通常稱該信號為激勵信號；此時會在次級線圈中感應(yīng)出高頻的感應(yīng)信號，這個信號就包含了具有位置信息的包絡(luò)信號；我們將返回的感應(yīng)信號提取包絡(luò)，就可以獲取對應(yīng)的正余弦信息；通過硬解碼/軟解碼等方式解碼后，可以得到定子的絕對位置信息（這里注意強調(diào)一下是絕對位置）。下面我們來推導(dǎo)一下這個過程：

假設(shè)激勵信號為：

Vα=Vs?sin(ωt)

如上圖中的位置所示，旋變的激勵線圈與水平的夾角為?θ?，那么結(jié)合激勵線圈中的信號，可以分別得到兩個感應(yīng)線圈中的信號分別為：

Va=Vs?sin(ωt)?cos(θ)

Vb=Vs?sin(ωt)?sin(θ)

所以，我們能分別得到激勵、正弦及余弦的波形如下：

其中正余弦的波形是幅值不斷變化的正弦曲線，結(jié)合上面的方程不難理解，正弦曲線其實是激勵源產(chǎn)生的，而之所以幅值會不斷變化是因為旋轉(zhuǎn)過程中，激勵線圈與次級線圈的夾角?θ?不斷變化，所以產(chǎn)生了這種波形。而這個波形的外包絡(luò)（即圖中的黑線部分）就是我們所需要的正余弦信號。

所以，我們在解碼過程中，只需要能夠提取正余弦信號的外包絡(luò)，就可以獲取轉(zhuǎn)子的絕對位置信息了。

那么，基于以上分析，了解了旋變的主要結(jié)構(gòu)和工作原理以后，旋變的應(yīng)用很重要的兩個功能就是激勵信號的產(chǎn)生和回采正余弦信號的外包絡(luò)提取及角度計算（這一部分通常稱為旋變解碼）。

激勵的產(chǎn)生

通過前面的介紹，我們知道旋變的工作需要一個高頻的正弦信號輸入，我們通常稱為激勵信號。而在實際的應(yīng)用過程中，正弦曲線是無法通過MCU某個模塊直接得到的。所以，我們很自然的能想到PWM調(diào)制技術(shù)，與電機控制一樣，都是通過高頻PWM的脈寬調(diào)制，最終達到近似輸出正余弦電壓的效果。

另一方面，除了MCU輸出的高頻PWM信號外，控制器硬件上也需要相關(guān)電路的匹配設(shè)計，硬件需要完成的功能有調(diào)整比例、調(diào)整偏置、增加驅(qū)動能力等，軟硬件結(jié)合后才能夠最終得到我們所需要的激勵信號波形。關(guān)于旋變的硬件電路這部分，網(wǎng)上有很多可用的資源作為參考，這里不過多的介紹。

為了更直觀的說明激勵信號的產(chǎn)生，我用Simulink+Pspice聯(lián)合仿真的方式，粗略的進行了仿真。

其中Simulink中以300kHz以上的頻率產(chǎn)生PWM波形（脈寬變化），PSpice中搭了一套網(wǎng)上可用的激勵電路，最后觀察電路中的輸出（即實際應(yīng)用過程中輸入給旋變的激勵）是如何變化的。

聯(lián)合仿真模型

PSpice硬件模型

仿真結(jié)果：

輸入信號，產(chǎn)生脈寬可變的高頻PWM

高頻PWM信號

產(chǎn)生的激勵正負結(jié)果：

激勵波形

仿真得到的激勵波形在峰值點有點削波的情況，這是由于在PWM生成的地方有兩個relay模塊，在PWM小脈寬的時候，可能不滿足relay中buffer的設(shè)定，所以在峰值點的時候波形存在缺失。

旋變的標定

旋變的標定在日常工作中有很多通俗的說法，比如說零位角標定、電機角標等等。雖然說法不同，但是內(nèi)容及功能是一致的，就是要知道旋變的零位與電機的零位之間的角度偏差。

原因很簡單，前面也強調(diào)過了，旋變是一種絕對位置傳感器，獲取的是電機轉(zhuǎn)子位置的絕對位置。但是我們電機控制的本質(zhì)是定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，而定子磁場是通過輸出電流得到的，所以我們需要的并不是轉(zhuǎn)子的絕對位置，而是轉(zhuǎn)子與定子之間的相對位置，有了相對位置，定子磁場才可以準確的輸出。

旋變標定的意義，上面已經(jīng)解釋過了，方法也很簡單，旋變的標定需要尋找的是旋變的零位和電機零位的偏差，又由于旋變可以獲取的是絕對位置，所以，實際應(yīng)用過程中我們只要找到電機零位對應(yīng)的旋變位置，其實就是旋變零位與電機零位的偏差了。

找電機零位的方法就很多了，比如Id、 UαUβ?等等，方式有很多，各有優(yōu)劣，不做過多介紹了。

最后，補充一句，開篇就說過了，旋變其實也可以理解為一個小電機，因為旋變也有極對數(shù)的概念，為了方便我們通常會與大電機極對數(shù)相同的旋變來作為傳感器，這樣旋變解碼出來的角度就是電機的電角度。如果二者之間的極對數(shù)不相等，那還存在換算的關(guān)系。

編輯：黃飛

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