2.2 旋转变压器

为了提高永磁同步电动机的运行稳定性，通常采用位置传感器检测电动机的转子位置用以对电动机进行高性能的控制。这里的位置传感器通常是旋转编码器，从工作原理上可以划分为磁性编码器与光学编码器，根据旋转编码器输出信号的不同又可以划分为绝对值编码器（absolute）和增量式编码器（incremental）。绝对值编码器可以直接测得转子的绝对位置，为转子的不同位置提供独一无二的编码，它不受停电的影响。图2-8给出了增量式光学编码器的工作原理示意图。

增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，在光线的照射作用下，接收装置的输出端便得到频率与转轴转速成正比的方波脉冲序列，从而可用于计算位置与转速。通常情况下，有A与B两路输出信号，如图2-9所示，两路信号的相位信息可以反映转轴的旋转方向。一般情况下，编码器还提供了一个Z脉冲信息，码盘旋转一圈过程中仅仅输出一个Z脉冲，它可以用来获得编码器的零参考位置。

旋转变压器是一种基于磁性原理的旋转编码器，它的环境适应性强、响应速度快、可靠性高，在电动汽车驱动电动机的位置检测中应用广泛。旋转变压器通常简称为旋变，其结构如图2-10所示，其输出绕组的端电压随转子位置发生变化，可以通过测量该电压获取转子位置信息。

按旋转变压器的输出电压与转子转角之间的函数关系，主要可以分为三类：

1）正-余弦旋转变压器——其输出电压与转子转角的函数关系为正弦或余弦函数关系。

2）线性旋转变压器——其输出电压与转子转角为线性函数关系。

3）特殊旋转变压器——其输出电压与转角为特殊函数关系。

2.2.1 工作原理

旋转变压器的绕组包括励磁绕组与输出绕组。图2-11所示旋变结构中，高频正弦交流励磁电压 E _R1-R2 通过集电环输入到位于转子的励磁绕组，它在电动机的内部产生高频脉振磁场，随着转子的旋转，位于定子上的两相正交输出绕组分别感应到相差90°电角度的高频交流电压 E _S1-S3 与 E _S2-S4 。

假定输出绕组与励磁绕组变比是 k ，那么输出绕组电压可以近似表示为

图2-12给出了典型的励磁绕组与输出绕组电压波形，可以看出随着转子角度发生变化（0°～360°），输出绕组的高频电压信号明显受到了转子位置的调制。需要采用合适的解算器从两相输出绕组电压中解算出转子的位置信息。

有一种磁阻式的旋转变压器，其工作原理如图2-13所示。与前一种不同的是，磁阻式旋转变压器的转子上没有绕组，仅仅是磁阻式转子铁心。定子励磁绕组通入高频励磁信号后，随着转子旋转，输出绕组与励磁绕组的互感发生有规律的变化，从而可以在输出绕组侧得到经转子位置调制的电压信号，见式（2-2），其中 X 表示磁阻转子的极对数。

一般情况下，磁阻式旋转变压器的转子极对数选择与同步电动机极对数相同。由于结构更加牢靠，磁阻式旋转变压器在电动汽车驱动电动机位置检测中应用较多。两种旋转变压器的图片都在图2-10中。

一种比较典型的4对极磁阻式旋变参数为：励磁电压为AC 7V，励磁频率为10kHz，电压比为0.286，位置准确度＜30′。

2.2.2 解码电路

旋转变压器的输出绕组提供了经过转子位置调制后的两相高频交流电压信号，需要采用合适的解码电路从中获取转子的绝对位置信息。一般情况下，可以采用专用的解码芯片如AU6802、AD2S80等，也可以采用高速数字信号处理器（DSP）的ADC功能及程序代码进行软件解码。

图2-14给出了以AU6802为例的解码电路原理图。该电路通过对旋转变压器输出模拟信号的解调来完成电动机转子绝对位置的检测。AU6802芯片本身可以产生一个10kHz的正弦信号，但该信号中存在2.5V直流电压的偏置，并且正弦信号峰峰值仅有2V，信号幅度太小，无法提供旋转变压器所需的正常工作电流。所以图2-14电路对该正弦信号进行隔直与电压放大后输出给旋转变压器。旋转变压器输出的经转子位置调制后的高频信号经过信号调理后变成大小合适的电压信号（S1～S4）反馈给解码芯片。解码芯片AU6802的功能设置见表2-1。

在电路设计中需要注意的是：当旋转变压器需要大电压信号的励磁电压时，如图2-14所示的正负双电源供电功放需要工作在大信号条件下，此时需要运放具有较高的转换速率。常用的运放芯片LM324等转换速率较小，可以采用LF353产生10kHz峰峰值约20V的正弦信号。另外，功放电路直流工作点的选择也很重要，不合适的工作点会使输出正弦波发生畸变或者功放的功耗过大。

解码芯片与TMS320LF2407 DSP接口电路如图2-15所示。AU6802输出12位并行数据通过数据总线送到DSP。但是前者为5V系统，而DSP是3.3V系统，所以需要进行电平的转换。74ACT245芯片可以接收3.3V电平信号同时输出5V电平，如图2-15中DSP的控制信号经它处理后去控制解码芯片。74LVX245芯片可以接收5V电平信号同时输出为3.3V的电平信号，图中解码芯片的12位数据经过该芯片后接至DSP的数据总线。