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://cshb120.cn/v/tag/1472/" target="_blank">機械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號輸出。它的歷史可以追溯到20世紀初，最早應用于軍事領(lǐng)域，特別是火炮控制系統(tǒng)和雷達天線定位。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用。

20世紀50年代后，隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)變壓器逐漸進入民用領(lǐng)域，特別是需要精確位置反饋的伺服系統(tǒng)、數(shù)控機床和機器人等高端裝備。與光電編碼器相比，旋轉(zhuǎn)變壓器具有更強的環(huán)境適應能力，能夠在高溫、高濕、強振動和強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，轉(zhuǎn)子繞組通以高頻交流勵磁信號（通常為幾千赫茲到幾十千赫茲），在定子繞組中感應出與轉(zhuǎn)子角度位置相關(guān)的電壓信號。理想情況下，兩個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?為信號幅值

·ω為勵磁角頻率

·θ為轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)角

通過檢測這兩個正交信號的幅值比，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。隨著材料科學和制造工藝的進步，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)只能提供一個完整周期（360°電氣角對應360°機械角）。多極旋轉(zhuǎn)變壓器通過增加極對數(shù)，實現(xiàn)了更高的電氣分辨率，例如極對數(shù)為n的旋轉(zhuǎn)變壓器，電氣角θ_e與機械角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)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了將模擬信號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)了與電機一體化的設(shè)計，以及針對特定應用（如電動汽車驅(qū)動電機）優(yōu)化的專用產(chǎn)品。同時，新材料如納米晶合金的應用進一步提高了性能并減小了體積。

應用領(lǐng)域

旋轉(zhuǎn)變壓器憑借其獨特優(yōu)勢，在多個領(lǐng)域得到廣泛應用：

·航空航天: 飛行控制系統(tǒng)的舵面位置反饋、慣性導航平臺的穩(wěn)定控制、航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)子位置監(jiān)測等。在極端環(huán)境下，旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性遠高于光電編碼器。

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

·工業(yè)自動化: 數(shù)控機床的轉(zhuǎn)臺定位、工業(yè)機器人的關(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、油污和振動不影響其性能。

·新能源汽車: 電動汽車驅(qū)動電機的位置和速度檢測。電機轉(zhuǎn)子位置檢測精度直接影響轉(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、抗干擾的特點完美匹配電機控制需求。

·能源領(lǐng)域: 風力發(fā)電機變槳系統(tǒng)、水輪機導葉控制等。大型設(shè)備的長期可靠運行需要旋轉(zhuǎn)變壓器的穩(wěn)定支持。

解碼方法與信號處理

·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)，實時跟蹤角度變化。其基本原理是通過反饋系統(tǒng)不斷調(diào)整內(nèi)部角度估計值φ，使得估計角度誤差逐步趨近于0。當系統(tǒng)收斂時，φ即為估計的角度值。這類芯片具有響應快、抗干擾強的特點，但帶寬和分辨率通常固定。

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

·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為電機實際角度，ψ為軟件估算角度），可將初始信號中的高頻信號濾除，最終使θ-ψ趨近于0，解出電機角度。

·積分法： 利用正交信號在整數(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)子位置的低頻包絡信息，再進行反正切運算求得角度信息。

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，支持浮點運算指令，主頻達到300+MHz，F(xiàn)lash容量為512K~8MB，設(shè)計符合AEC-Q100 Grade1和功能安全ISO26262 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2Mbps采樣率，輕松實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)變壓器輸出差分信號的高速精準采樣。支持DMA，實現(xiàn)旋變輸入信號的采樣結(jié)果實時傳輸，簡化外部電路設(shè)計和用戶代碼的實現(xiàn)。得益于高主頻和浮點指令的支持，CX3288擁有不俗的性能滿足數(shù)據(jù)處理場景，運算周期較常規(guī)的MCU大幅縮短。獲取采樣結(jié)果后轉(zhuǎn)為實際信號電壓，參與后續(xù)閉環(huán)環(huán)節(jié)的計算調(diào)節(jié)，既快速又準確地解算出電機實際角度。

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)近一個世紀的發(fā)展，依然在眾多關(guān)鍵領(lǐng)域保持著不可替代的地位。其獨特的抗干擾能力、環(huán)境適應性和可靠性，使其在工業(yè)4.0和智能制造時代仍具有旺盛的生命力。隨著信號處理技術(shù)的進步和應用需求的多樣化，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，可能會催生出更具競爭力的新一代位置檢測解決方案。