2.2 旋轉變壓器

為了提高永磁同步電動機的運行穩定性，通常需要采用位置傳感器檢測電動機的轉子位置用以對電動機進行高性能的控制。這里的位置傳感器通常是旋轉編碼器，從工作原理上可以劃分為磁性編碼器與光學編碼器，根據旋轉編碼器輸出信號的不同又可以劃分為絕對值編碼器（absolute）和增量式編碼器（incremental）。絕對值編碼器可以直接測得轉子的絕對位置，為轉子的不同位置提供獨一無二的編碼，它不受停電的影響。圖2-8給出了增量式光學編碼器的工作原理示意圖。

圖2-8 增量式光學編碼器

增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數量的光柵，在光線的照射作用下，接收裝置的輸出端便得到頻率與轉軸轉速成正比的方波脈沖序列，從而可用以計算位置與轉速。通常情況下，有A與B兩路輸出信號，如圖2-9所示，兩路信號的相位信息可以反映轉軸的旋轉方向。一般情況下，編碼器還提供了一個Z脈沖信息，碼盤旋轉一圈過程中僅僅輸出一個Z脈沖，它可以用來獲得編碼器的零參考位置。

圖2-9 增量式光學編碼器輸出信號

旋轉變壓器是一種基于磁性原理的旋轉編碼器，它的環境適應性強、響應速度快、可靠性高，在電動汽車驅動電動機的位置檢測中應用廣泛。旋轉變壓器通常簡稱為旋變，其結構如圖2-10所示，其輸出繞組的端電壓隨轉子位置發生變化，可以通過測量該電壓獲取轉子位置信息。

按旋轉變壓器的輸出電壓與轉子轉角之間的函數關系，主要可以分為三類：

1）正—余弦旋轉變壓器——其輸出電壓與轉子轉角的函數關系為正弦或余弦函數關系。

2）線性旋轉變壓器——其輸出電壓與轉子轉角為線性函數關系。

3）特殊旋轉變壓器——其輸出電壓與轉角為特殊函數關系。

圖2-10 旋轉變壓器定子與轉子

2.2.1 工作原理

旋轉變壓器的繞組包括勵磁繞組與輸出繞組。圖2-11所示旋變結構中，高頻正弦交流勵磁電壓E_R1-R2通過集電環輸入到位于轉子的勵磁繞組，它在電動機的內部產生高頻脈振磁場，隨著轉子的旋轉，位于定子上的兩相正交輸出繞組分別感應到相差90°電角度的高頻交流電壓E_S1-S3與E_S2-S4。

圖2-11 旋轉變壓器繞組結構示意圖

假定輸出繞組與勵磁繞組變比是k，那么輸出繞組電壓可以近似表示為

圖2-12給出了典型的勵磁繞組與輸出繞組電壓波形，可以看出隨著轉子角度發生變化（0～360°），輸出繞組的高頻電壓信號明顯受到了轉子位置的調制。需要采用合適的解算器從兩相輸出繞組電壓中解算出轉子的位置信息。

有一種磁阻式的旋轉變壓器，其工作原理如圖2-13所示。與前一種不同的是，磁阻式旋轉變壓器的轉子上沒有繞組，僅僅是磁阻式轉子鐵心。勵磁繞組通入高頻勵磁信號后，隨著轉子旋轉，輸出繞組與勵磁繞組的互感發生有規律的變化，從而可以在輸出繞組側得到經轉子位置調制的電壓信號，見式2-2，其中的X表示磁阻轉子的極對數。

圖2-12 旋轉變壓器繞組電壓典型波形

一般情況下，磁阻式旋轉變壓器的轉子極對數選擇與同步電動機極對數相同。由于結構更加牢靠，磁阻式旋轉變壓器在電動汽車驅動電動機位置檢測中應用較多。兩種旋轉變壓器的圖片都在圖2-10中。

一種比較典型的4對極磁阻式旋變參數為：勵磁電壓7VAC，勵磁頻率10kHz，電壓比0.286，位置準確度＜30′。

圖2-13 磁阻式旋轉變壓器結構示意圖

2.2.2 解碼電路

旋轉變壓器的輸出繞組提供了經過轉子位置調制后的兩相高頻交流電壓信號，需要采用合適的解碼電路從中獲取轉子的絕對位置信息。一般情況下，可以采用專用的解碼芯片如AU6802、AD2S80等，也可以采用高速數字信號處理器（DSP）進行解碼。

圖2-14給出了以AU6802為例的解碼電路原理圖。該電路通過對旋轉變壓器輸出模擬信號的解調來完成電動機轉子絕對位置的檢測。AU6802芯片本身可以產生一個10kHz的正弦信號，但該信號中存在2.5V直流電壓的偏置，并且正弦信號峰峰值僅有2V，信號幅度太小無法提供旋轉變壓器所需的正常工作電流。所以圖2-14電路對該正弦信號進行隔直與電壓放大后輸出給旋轉變壓器。旋轉變壓器輸出的經轉子位置調制后的高頻信號經過信號調理后變成大小合適的電壓信號（S1～S4）反饋給解碼芯片。解碼芯片AU6802的功能設置見表2-1。

表2-1 RDC芯片AU6802的功能設置

在電路設計中需要注意的是：當旋轉變壓器需要大電壓信號的勵磁電壓時，如圖2-14所示的功放需要工作在大信號條件下，此時需要運放具有較大的轉換速率。常用的運放芯片LM324等轉換速率較小，可以采用LF353產生10kHz峰峰值約20V的正弦信號。另外，功放電路直流工作點的選擇也很重要，不合適的工作點會使輸出正弦波發生畸變或者功放的功耗過大。

解碼芯片與TMS320LF2407 DSP接口電路如圖2-15所示。AU6802輸出12位并行數據通過數據總線送到DSP。但是前者為5V系統，而DSP是3.3V系統，所以需要進行電平的轉換。74ACT245芯片可以接收3.3V電平信號同時輸出5V電平，如圖2-15中DSP的控制信號經它處理后去控制解碼芯片。74LVX245芯片可以接收5V電平信號同時輸出為3.3V的電平信號，圖中解碼芯片的12位數據經過該芯片后接至DSP的數據總線。

圖2-14 轉子位置檢測電路

圖2-15 解碼電路與DSP的接口電路