來源：芯科集成

背景

旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver），又稱解算器或回轉(zhuǎn)變壓器，是一種模擬式角位移傳感器，能夠?qū)?a href="http://www.cshb120.cn/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。它的歷史可以追溯到20世紀(jì)初，最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，特別是火炮控制系統(tǒng)和雷達(dá)天線定位。二戰(zhàn)期間，旋轉(zhuǎn)變壓器因其高可靠性和抗干擾能力在軍事裝備中得到廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)50年代后，隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)變壓器逐漸進(jìn)入民用領(lǐng)域，特別是需要精確位置反饋的伺服系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等高端裝備。與光電編碼器相比，旋轉(zhuǎn)變壓器具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，能夠在高溫、高濕、強(qiáng)振動(dòng)和強(qiáng)電磁干擾等惡劣條件下穩(wěn)定工作。

基本原理

工作原理：旋轉(zhuǎn)變壓器工作時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組通以高頻交流勵(lì)磁信號(hào)（通常為幾千赫茲到幾十千赫茲），在定子繞組中感應(yīng)出與轉(zhuǎn)子角度位置相關(guān)的電壓信號(hào)。理想情況下，兩個(gè)定子繞組的輸出電壓可表示為：

Vs = V?·sin(ωt)·sinθ

Vc = V?·sin(ωt)·cosθ

其中：

·V?為信號(hào)幅值

·ω為勵(lì)磁角頻率

·θ為轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)角

通過檢測(cè)這兩個(gè)正交信號(hào)的幅值比，即可解算出轉(zhuǎn)子的角度位置。

技術(shù)發(fā)展與演變

旋轉(zhuǎn)變壓器技術(shù)經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段：

·傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器: 早期產(chǎn)品體積較大，采用接觸式滑環(huán)供電，存在磨損和可靠性問題。隨著材料科學(xué)和制造工藝的進(jìn)步，逐步發(fā)展出無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，通過附加的旋轉(zhuǎn)變壓器耦合能量，消除了物理接觸，大幅提高了使用壽命。

·多極旋轉(zhuǎn)變壓器: 傳統(tǒng)單極旋轉(zhuǎn)變壓器每轉(zhuǎn)只能提供一個(gè)完整周期（360°電氣角對(duì)應(yīng)360°機(jī)械角）。多極旋轉(zhuǎn)變壓器通過增加極對(duì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了更高的電氣分辨率，例如極對(duì)數(shù)為n的旋轉(zhuǎn)變壓器，電氣角θ_e與機(jī)械角θ_m的關(guān)系為：θ_e = n·θ_m。這使得在不提高制造精度的情況下，通過電氣細(xì)分可獲得更高的角度分辨率。

·數(shù)字式旋轉(zhuǎn)變壓器: 隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了將模擬信號(hào)處理電路集成在傳感器內(nèi)部的數(shù)字輸出型旋轉(zhuǎn)變壓器，簡化了系統(tǒng)集成難度。這類產(chǎn)品通常提供數(shù)字接口（如SPI、SSI或EtherCAT），可直接輸出數(shù)字角度值。

·集成化與微型化: 現(xiàn)代旋轉(zhuǎn)變壓器趨向于小型化和集成化，出現(xiàn)了與電機(jī)一體化的設(shè)計(jì)，以及針對(duì)特定應(yīng)用（如電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)）優(yōu)化的專用產(chǎn)品。同時(shí)，新材料如納米晶合金的應(yīng)用進(jìn)一步提高了性能并減小了體積。

應(yīng)用領(lǐng)域

旋轉(zhuǎn)變壓器憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：

·航空航天: 飛行控制系統(tǒng)的舵面位置反饋、慣性導(dǎo)航平臺(tái)的穩(wěn)定控制、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置監(jiān)測(cè)等。在極端環(huán)境下，旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性遠(yuǎn)高于光電編碼器。

·軍事裝備: 坦克炮塔定位、導(dǎo)彈發(fā)射架控制、艦載雷達(dá)天線位置反饋等。其抗電磁干擾能力特別適合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

·工業(yè)自動(dòng)化: 數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)臺(tái)定位、工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)位置反饋、高精度伺服系統(tǒng)等。在重工業(yè)環(huán)境中，粉塵、油污和振動(dòng)不影響其性能。

·新能源汽車: 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置和速度檢測(cè)。電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)精度直接影響轉(zhuǎn)矩輸出和能效, 高壓大電流環(huán)境下需抵抗強(qiáng)電磁干擾, 汽車要求-40℃到150℃的寬溫工作能力, 8-10年或15萬公里以上的使用壽命。旋轉(zhuǎn)變壓器耐高溫、抗干擾的特點(diǎn)完美匹配電機(jī)控制需求。

·能源領(lǐng)域: 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)、水輪機(jī)導(dǎo)葉控制等。大型設(shè)備的長期可靠運(yùn)行需要旋轉(zhuǎn)變壓器的穩(wěn)定支持。

解碼方法與信號(hào)處理

·專用解碼芯片：專用集成電路（ASIC）如AD2S系列等，采用Type II跟蹤環(huán)路技術(shù)，實(shí)時(shí)跟蹤角度變化。其基本原理是通過反饋系統(tǒng)不斷調(diào)整內(nèi)部角度估計(jì)值φ，使得估計(jì)角度誤差逐步趨近于0。當(dāng)系統(tǒng)收斂時(shí)，φ即為估計(jì)的角度值。這類芯片具有響應(yīng)快、抗干擾強(qiáng)的特點(diǎn)，但帶寬和分辨率通常固定。

·峰值檢測(cè)法： 峰值檢測(cè)法基于旋變輸出信號(hào)的瞬時(shí)幅值與轉(zhuǎn)子角度之間的三角函數(shù)關(guān)系。通過提取包絡(luò)線峰值，消除勵(lì)磁載波ωt的影響后，角度可通過反正切運(yùn)算求得。

·鎖相環(huán)法：構(gòu)建二階非線性控制系統(tǒng)，類似AD2S系列解碼芯片原理。系統(tǒng)輸入E·sin(ωt)·sin(θ-ψ)通過典型II型系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)（θ為電機(jī)實(shí)際角度，ψ為軟件估算角度），可將初始信號(hào)中的高頻信號(hào)濾除，最終使θ-ψ趨近于0，解出電機(jī)角度。

·積分法： 利用正交信號(hào)在整數(shù)周期內(nèi)的積分特性, 通過解調(diào)-積分過程消除高頻載波，保留反映轉(zhuǎn)子位置的低頻包絡(luò)信息，再進(jìn)行反正切運(yùn)算求得角度信息。

芯科CX3288旋變解碼

芯科集成CX3288系列是基于RISC-V內(nèi)核的高性能車規(guī)MCU，支持浮點(diǎn)運(yùn)算指令，主頻達(dá)到300+MHz，F(xiàn)lash容量為512K~8MB，設(shè)計(jì)符合AEC-Q100 Grade1和功能安全I(xiàn)SO26262 ASIL-B的要求。

CX3288AE有42路12bit高精度ADC通道，支持差分連續(xù)采樣，最高可達(dá)2Mbps采樣率，輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出差分信號(hào)的高速精準(zhǔn)采樣。支持DMA，實(shí)現(xiàn)旋變輸入信號(hào)的采樣結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸，簡化外部電路設(shè)計(jì)和用戶代碼的實(shí)現(xiàn)。得益于高主頻和浮點(diǎn)指令的支持，CX3288擁有不俗的性能滿足數(shù)據(jù)處理場(chǎng)景，運(yùn)算周期較常規(guī)的MCU大幅縮短。獲取采樣結(jié)果后轉(zhuǎn)為實(shí)際信號(hào)電壓，參與后續(xù)閉環(huán)環(huán)節(jié)的計(jì)算調(diào)節(jié)，既快速又準(zhǔn)確地解算出電機(jī)實(shí)際角度。

芯科集成

結(jié)語

旋轉(zhuǎn)變壓器作為一種經(jīng)典的角位移傳感器，歷經(jīng)近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，依然在眾多關(guān)鍵領(lǐng)域保持著不可替代的地位。其獨(dú)特的抗干擾能力、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，使其在工業(yè)4.0和智能制造時(shí)代仍具有旺盛的生命力。隨著信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用需求的多樣化，旋轉(zhuǎn)變壓器技術(shù)將持續(xù)創(chuàng)新，在更廣闊的領(lǐng)域發(fā)揮作用。未來，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器與新型傳感器技術(shù)的融合，可能會(huì)催生出更具競(jìng)爭(zhēng)力的新一代位置檢測(cè)解決方案。