一般來(lái)說(shuō)電機(jī)是沒(méi)辦法直接傳遞位置信號(hào)和速度信號(hào)的，如果想要準(zhǔn)確地獲取電機(jī)角度信息和速度信息來(lái)完成高精度的控制就必須依賴(lài)于采集角度的傳感器件。這一類(lèi)器件里有很多很多不同原理不同特性的傳感，光電編碼、霍爾傳感等等。旋轉(zhuǎn)變壓器也是其中一種。

旋轉(zhuǎn)變壓器是一類(lèi)很常見(jiàn)的角位置傳感器，在伺服電機(jī)、PMSM電機(jī)應(yīng)用中提供位置和速度反饋。如果從機(jī)械設(shè)備的角度看，旋轉(zhuǎn)變壓器由靜止的定子和可移動(dòng)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，從電氣角度來(lái)看，它可以看作由為轉(zhuǎn)子供電的變壓器和用于測(cè)定角度的輔助變壓器構(gòu)成。在工業(yè)環(huán)境中旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)輸出可以不受振動(dòng)粉塵油污的影響，適合在惡劣環(huán)境下使用，另外旋轉(zhuǎn)變壓器能提供單圈的絕對(duì)位置，但需要額外的電子裝置進(jìn)行信號(hào)處理和記錄旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器在機(jī)器人應(yīng)用上都很常見(jiàn)，在筆者見(jiàn)過(guò)的大部分KUKA、ABB機(jī)器人的伺服電機(jī)上都配備了旋轉(zhuǎn)變壓器。

電氣角度下的旋轉(zhuǎn)變壓

上面說(shuō)到，從電氣角度看，旋轉(zhuǎn)變壓器由為轉(zhuǎn)子供電的變壓器和用于測(cè)定角度的輔助變壓器構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)變壓器的第一個(gè)變壓器采用同心設(shè)計(jì)，在功能上與電機(jī)運(yùn)動(dòng)的角度值無(wú)關(guān)。第二個(gè)變壓器會(huì)隨電機(jī)運(yùn)動(dòng)的角度變化，由定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成。這兩個(gè)變壓器元件的繞組設(shè)計(jì)會(huì)使凹槽中的繞組數(shù)量與正弦值相對(duì)應(yīng)。

如果給轉(zhuǎn)子繞組通電，則產(chǎn)生正弦磁通量，它將以轉(zhuǎn)子和定子相對(duì)角度位置函數(shù)的形式在定子線圈中產(chǎn)生電壓。兩個(gè)電壓的振幅對(duì)應(yīng)于正弦或余弦。因此，可以使用合適的求值電路獲取絕對(duì)角度數(shù)據(jù)。

（圖源：Jamagawa）

旋轉(zhuǎn)變壓器的極對(duì)數(shù)表示了轉(zhuǎn)子和定子繞組的正弦分布在一次旋轉(zhuǎn)中的重復(fù)頻率。極對(duì)數(shù)越高，旋轉(zhuǎn)變壓器的機(jī)械精度越高。對(duì)于多極對(duì)，絕對(duì)角度數(shù)據(jù)可能會(huì)丟失，但在對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換后，會(huì)獲得更高的分辨率。

旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器的取舍

二者作為角位置傳感器，都是通過(guò)將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來(lái)測(cè)量軸的旋轉(zhuǎn)位置。編碼器提供的是數(shù)字輸出信號(hào)，而旋轉(zhuǎn)變壓器提供的是模擬輸出信號(hào)，因此需要旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出要進(jìn)行軸角－數(shù)字轉(zhuǎn)換。與編碼器相比，旋轉(zhuǎn)變壓器在極端環(huán)境條件（如高溫以及沖擊和振動(dòng)）下更加可靠，這也是為什么在很多環(huán)境相對(duì)嚴(yán)苛的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用里旋轉(zhuǎn)變壓器出場(chǎng)率很高的原因。

（圖源：TE）

旋轉(zhuǎn)變壓器可以用作增量和絕對(duì)編碼器的替代品，但這個(gè)取舍還是取決于應(yīng)用場(chǎng)合，一是環(huán)境條件，而是系統(tǒng)的控制電子裝置。雖然旋轉(zhuǎn)變壓器更適合嚴(yán)苛的環(huán)境，但是編碼器不可否認(rèn)的具有高精度，并且集成到控制電子裝置的過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)也不那么復(fù)雜。

數(shù)字轉(zhuǎn)換成為旋轉(zhuǎn)變壓器

上面說(shuō)到的兩個(gè)方向，都提到了一個(gè)詞，旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)字轉(zhuǎn)換。旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)字轉(zhuǎn)換需要用到RDC，也就是旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器。旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器在旋變器和系統(tǒng)主控芯片之間實(shí)現(xiàn)連接，采用旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正弦和余弦信號(hào)解碼電機(jī)軸的角位置和旋轉(zhuǎn)速度。

（圖源：TI）

大部分的旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換會(huì)采用Type-II跟蹤環(huán)路計(jì)算位置和速度。RDC同步采樣兩路輸入信號(hào)，提供數(shù)字化數(shù)據(jù)給跟蹤環(huán)路。在很多工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，噪聲環(huán)境會(huì)極大影響RDC采集的數(shù)據(jù)，在正弦和余弦信號(hào)上出現(xiàn)高頻噪聲。如果出現(xiàn)這種情況，可以在靠近RDC的地方放置一個(gè)差分低通濾波器，即便是最簡(jiǎn)單的差分低通濾波器也可以有效抑制高頻噪聲。

小結(jié)

旋轉(zhuǎn)變壓器和旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器一同使用時(shí)，可以給電機(jī)控制應(yīng)用提供高精度和穩(wěn)定的位置/速度測(cè)量信息，泛一點(diǎn)說(shuō)是對(duì)電機(jī)控制能力極大地增強(qiáng)。但是我們也看到了這個(gè)精準(zhǔn)的測(cè)量必須考慮到所有可能的誤差，在信號(hào)鏈的設(shè)計(jì)上盡量規(guī)避誤差的產(chǎn)生。