1前言

旋轉變壓器是利用電磁誘導的角度檢測器。是從二次大戰時開發的軍用角度計算及角度檢測器發展而來的。用于高溫、高震動環境和機械手的電機角度傳感器。之后，FA用途的角度傳感器的主力被光學編碼器取代。我司開發的可變磁阻（VariableReluctance：VR）型旋轉變壓器，因為它扁平、低成本、優良的耐環境性能被用于混合動力汽車的驅動電機的角度傳感器。另外，我司開發的車載電機控制用的TrackingType的ResolverDigital（RD）變換器有著高分解能，可以準確地進行高角度檢測，可以控制高精度電機。隨著汽車電動化地啟動，也開始搭載在其他用途上使用。本稿主要是對旋轉變壓器及RD轉換器的基礎到最近的技術進行解說。

圖1旋轉變壓器的流行趨勢圖

2旋轉變壓器

2.1旋轉變壓器的歷史

旋轉變壓器是在二次大戰中為了支援美國國防省而開發的，是用于飛機等的自動迎戰系統控制的計算要素。

當時已經在使用角度檢測用的3相輸出型角度檢測器（selsyn），以這個Synchro為基礎，再次開發出了處理直交信號成分的2相型旋轉變壓器。具體來說，就是把旋轉變壓器的勵磁電壓當做距離，軸角度當做迎擊角，2相輸出電壓值當做X、Y坐標值，把極坐標變為直交坐標。

戰后，這些按照美軍規格（MIL規格）規劃成了幾個種類的系列。之后在防衛廳規格下國產化，跟Synchro一樣開始被用于控制系角度檢測器。特別是數字化技術發達后，比較容易把角度信號數字化的旋轉變壓器別作為角度傳感器使用。

70年代，隨著NC工作機的開發，開始要求決定Byte位置用的傳感器，在高速旋轉時也能進行角度檢測的無刷旋轉變壓器被開發了出來。經此，旋轉變壓器在民需用途上也被廣泛得知，生產數量也開始劇增。

到了80年代，開發出了內置型，在機械手角度傳感器用途普及開來。但是，1980年左右開發的光學編碼器因為高性能、高功能等特點，占據了國內無刷旋轉變壓器在NC工作機、機械手用角度傳感器中的位置。而歐洲區域則繼續使用可以耐高溫的旋轉變壓器作為電機角度傳感器。

另外，在80年代開發出了可以高精度檢測的多級旋轉變壓器，主要用于天文望遠鏡和雷達的方位與高度角度檢測。現在旋轉變壓器系統中的最高角度精度被國立天文臺采用，精度為0.15角度秒。

另一方面，利用磁阻變化方式的VR型旋轉變壓器，在初期1957年，Bell研究所的G.Kronacher進行了刻度旋轉變壓器的開發報告，之后，對VR型旋轉變壓器也做出了各種形態的研究，但因為它的角度誤差及偏差大的原因沒有被普及開來。

進入90年代后，因為地球溫室效應等環境問題，急速開始了電動汽車及汽車搭載電機的開發。因為汽車驅動用的電機要求小型高效，開始研討永磁同步電動機。但是，永磁同步電動機是通過轉子的角度位置信息來控制旋轉，因此必須配備旋轉角度傳感器。汽車的驅動周邊溫度高、震動大，而且有潤滑油在流動，使用環境非常惡劣，有內置電路、玻璃碼盤的光學編碼器無法使用，而且需要大口徑扁平構造的角度傳感器，因此耐環境性能優良的無刷旋轉變壓器在構造上最適合。

因此，最適合汽車搭載的角度傳感器VR型旋轉變壓器再次被關注，針對其缺點改善角度精度和偏差，開始了新型VR型旋轉變壓器的開發。這個VR型旋轉變壓器先是被使用在電動汽車電機角度傳感器，后來又被使用在了混合動力汽車上。之后，再被用于電動助力轉向用途的無刷電機的角度傳感，生產量大幅增加的同時，成本再度下降。表1顯示的是旋轉變壓器的開發歷史。

表1旋轉變壓器的研發歷史

表4旋轉變壓器的角度誤差原因

表5旋轉變壓器的RD轉換方式

圖5不同軸倍角轉子磁芯的形狀圖

圖6Tracking方式的RD轉換構成

如此，旋轉編碼器隨著市場在不斷進化，可是說是跟其他傳感器競爭后幸存的角度傳感器。圖1是隨著年代變化，所新開發的旋轉變壓器的流行趨勢，是產品減少部件數量、簡化構造、降低成本的歷史。

2.2旋轉變壓器的種類

旋轉變壓器中有很多種類，如表2所示。按功能構造分類主要是用于FA用途，車載用途多數是在無刷電機控制中使用VR型旋轉變壓器。旋轉變壓器的尺寸是按照MIL規格來命名的，是外徑尺寸（英寸）的1/10的值前面加上S，比如“S15”。但是，最近生產了很多不受這個尺寸限制的產品，也不按這個規律命名。安裝構造中，定子和轉子分別直接組裝在電機中的內置型是現在的主流。因為安裝尺寸縮短，電機的整體長度也可以隨之減少。旋轉變壓器的卷線構造可以分為3個大的種類，現在，勵磁1相輸出2相型是主流產品。旋轉變壓器的軸倍角是跟電機極對數相等的項目，極對數為n時顯示為nX。通常的軸倍角是1X，2X以上的多極型被分別使用在與之極對數一致的電機上。32X、128X等甚至更大的軸倍角的多極旋轉變壓器角度精度非常高，被用于天文望遠鏡等。旋轉變壓器的相關用語現在已被收錄到日本電機工業會技術資料《JEM-TR187“旋轉變壓器系統的用語和定義》中。

表2旋轉變壓器的種類

2.3旋轉變壓器的構造和原理

在這里對基本型的無刷旋轉變壓器和以車載用途為中心的、最近大量生產的VR型旋轉變壓器的構造和原理進行說明。

2.3.1無刷旋轉變壓器

無刷旋轉變壓器（BRX），如圖2所示由帶有勵磁線圈的轉子、帶有輸出線圈的定子和轉子側供給電壓的旋轉變壓部構成。

圖2無刷旋轉變壓器構成圖

原理基本跟變壓器相同。對帶有旋轉變壓的轉子線圈施加（1）式交流電壓時，就會在轉子內產生變換的磁通量。在定子槽中分布著相交的COS線圈和SIN線圈，轉子旋轉時，磁通量會以軸為中心旋轉，定子中的COS卷線和SIN卷線會按照旋轉角度θ鎖交磁通量，產生（2）（3）式的誘發電壓。然后，旋轉變壓器的COSå’ŒSINçš„2相輸出卷線會把勵磁電壓轉變的Cosθ，Sinθ振幅變調的電壓分別輸出（圖3）。通過2相輸出電壓值的ArcTAN計算，可以得出旋轉角度θ。勵磁電壓：ER1-R2=E1sinωt（1）輸出電壓：ES1-S3=kE1cosθsinωt（2）ES2-S4=kE1sinθcosωt（3）

圖3

圖8旋轉變壓器車載應用

2.3.2VR型旋轉變壓器

VR型旋轉變壓器轉子和定子間的縫隙導磁率會根據角度變化形成不同的正弦波形，轉子的外徑形狀則為滿足這個要求而設計。轉子由積層的磁性體構成，定子磁芯纏繞輸入輸出卷線，是極為簡單的構造（圖4）。隨著轉子和定子間的間隙變化，在勵磁線圈里產生的磁通量會有很大的變化，輸出線圈的誘發電壓也會變化。輸出線圈分布在全部槽縫里，這個2相輸出電壓跟無刷旋轉變壓器相同。VR型旋轉變壓器的轉子里沒有線圈，形狀扁平輕薄，而且在高速度，高震動的環境也也能保持高準確性。如圖5所示，軸倍角不同轉子磁芯的形狀也不同。

圖4VR型旋轉變壓器構造

2.4旋轉變壓器的特征

旋轉變壓器系統由角度傳感用的旋轉變壓器、把這個輸出信號變換為數字信號的RD轉換器和勵磁電源部構成。一般，角度傳感的旋轉變壓器是安裝在角度檢測軸上，RD轉換器則安裝在距離數米或數十米的外的驅動器或ECU（EngineControlUnit）線路板上。因此，在溫度等環境惡劣的地方，不需要配置電子部件，耐環境新能非常優良。

表3顯示的是VR型旋轉變壓器的特征。旋轉變壓器的主要特征是高分解能、高速旋轉追蹤、耐熱性、高信賴性及絕對角度輸出等。

表3旋轉變壓器的特征

2.5旋轉變壓器使用中的技術研討事項

2.5.1勵磁電壓、頻率對電氣特征的影

通常旋轉變壓器在4~7V，10kHz左右的電壓下勵磁，除此以外，也經常被用在各種電壓值及頻率上。最近，為了減少回路上的消耗電力，也有在1V左右使用勵磁電壓值，因為輸出信號等級變小，只用于不容易受到干擾的小型電機上。電動汽車等的驅動電機上建議用7V左右的環境。勵磁頻率一般是在10kHz或者之下。當頻率超過10kHz時，會對磁芯內部產生很多渦電流的旋轉變壓器的輸出電壓產生影響，導致角度誤差惡化。勵磁頻率過低，會因為輸入電阻小而增加勵磁電流導致消耗電流增加。因此，頻率10kHz左右最合適，RD轉換器也是在10Khz左右最合適。

圖7旋轉變壓器車載應用

2.5.2旋轉變壓器的角度誤差原因

旋轉變壓器的角度誤差原因分為旋轉自體內部原因和使用狀態外部原因。主要發生原因顯示在Table4里。

2.5.3安裝偏心對角度精度的影響

內嵌式旋轉變壓器情況下安裝精度會對角度誤差產生影響。無刷旋轉變壓器和VR旋轉變壓器以及外徑尺寸、軸倍角等對角度精度的影響力是不同的。一般情況下尺寸越大，軸倍角越大安裝偏心就很難受到影響。

2.5.4電機干擾對策

將旋轉變壓器安裝在離電機線圈很近的位置的情況下，根據電機線圈泄露的磁通量與旋轉變壓器輸出線圈鎖交會引起誤差電壓。為了將這個影響降低到最小，下記對策的探討就變得很重要。

（1）線纜配線上的對策

使用多股膠合的各對屏蔽線，向各相傳送，即便是只有多股膠合線，也一樣有消除漏磁通量引起電壓的效果。

（2）旋轉變壓器的安裝位置

將旋轉變壓器從電機線圈上剝離也有效果，軸方向以外拉開與內徑側的距離也有效果。一般情況下永久磁石的靜磁場很容易受到電機線圈交流磁場的影響。

（3）磁力遮蔽

在不能拉開上述距離的情況下，在電機線圈與旋轉變壓器之間設置磁力屏蔽。使用鐵等磁性體將漏磁通量從旋轉變壓器處進行磁力屏蔽，還有使用鋁等導電材料根據渦電流消除交流磁通量。一般前者的效果會比較大，但是為了不引起磁通量的環繞式處理有必要在設計上多做考慮。

3RD轉換技術

RD轉換就是將像文字一樣的旋轉變壓器信號轉換為數字信號的一種AD轉換技術。一般旋轉變壓器信號是包含交流勵磁成分的模擬信號，是為了適應轉動角度改變振幅的復雜的信號形態，因此也是不容變換的，針對旋轉變壓器的種類（方式），各種方式的RD的轉換技術被提案出來。

3.1RD轉換器的歷史

RD轉換器作為根據復數的打印機基板構成的架子型的SD變換器在1967年登場，后來，經歷了在打印機基板型→模數型→混合ICåž‹→回路LSI（1990年代）型和小型化低價格化的道路上獨自進化的經過。現在對1997年登場的混合動力汽車還記憶猶新，但是在驅動用/發電機用的無刷電機的磁極檢測用的VR形旋轉變壓器被采用以后，其作為混合動力車引擎控制組件內的角度信息橋梁，此時才真正開始進入車載應用。當初所采用的RD轉換IC是國外做的，因為我們原來沒有開發車載用的產品，所以在性能、品質、價格上也沒有能夠完全滿足我們需求的產品，2003年以后，為了對應車載采用了RD轉換IC。

3.2RD轉換器的種類和分類

旋轉變壓器的不同種類所對應RD的變換方式也不同，請參照Table5里的概要。

3.3RD轉換器的原理.構成

3.3.1TRACKING方式RD轉換原理、構成

追蹤方式的歷史是很悠久的，從RD轉換器登場的初期到現在，方法反映時代，作為已經普及了的基本原理的那種技術被沿襲了很長一段時間。另外，車載應用中的旋轉變壓器大部分都是VR型的振幅變調方式，即使是對應旋轉變壓器的種類，Tracking方式在車載應用里也成為現在最一般的變換方式。圖6顯示的是Tracking方式的RD轉換構成。

Tracking方式是由應用了負歸還控制系統的閉環體系構成的，控制偏差ε如（4）所示。

    ε=（K·sinθ·sinωt）*cosφ

    -（K·cosθ·sinωt）*sinφ

    =K·sin（θ-φ）·sinωt（4）

這里，負歸還控制系統動作通常將控制偏差ε調整為0并通過這種功能滿足公式（5）所示的關系。

    ε=0→∴θ=φ（5）

一方面，公式（4）求出的解并非是公式（5）所示的單獨的解，具有180o位相差的解也是很容易理解的，只是現在的RD轉換IC已經有考慮到這一點，也已經在考慮得出單獨的解了。RD變化過程即：在SIN/COSmultiplier部導入振幅變調旋轉變壓器信號，輸出歸還角度信號和演算處理，取得公式（4）所示的控制偏差。通過同期檢波部抽出振幅成分后，為了達到負歸還控制的穩定化及高速化，在閉環補償器處導入控制偏差。補償特性一般情況下以PI控制居多，構成Ⅱ型直接聯系伺服閉環。閉環補償器之后，在VCO（電壓控制振動器）轉換出輸入電壓對應的脈沖列后，通過計算器取得脈沖積分值的數字角度輸出φ，如前所述，數字角度輸出φ一方面也向輸入向歸還，這就構成了負歸還控制系統。

3.3.2Twin-PLL方式的RD轉換器的原理、構成

車載應用中，要求性能的同時也強烈要求低價格化，今年新的變化原理的Twin-PLL方式（我司型號：AU6803）被提出，因為還是剛剛誕生，現在還沒有實際的車載應用業績。

Twin-PLL方式，是把無線通信技術應用在RD轉換中，跟Tracking方式一樣由負歸還控制系統構成。把旋轉變壓器的信號當做多個信號，在正/負頻率成分的任何一個中鎖定相位，生成多個信號構成PLL（Phase-lockedLoop），通過得到的輸出相對相位角取得角度信息的方式。

Twin-PLL方式，如字面意思，由兩個PLL組成。詳細內容就不在此進行描述了，有興趣的各位可以參考相關文獻。

4旋轉變壓器主要的車載應用

VR型旋轉變壓器最初是搭載在電動汽車電機上使用，生產數量為每月幾十臺左右。后來這個技術延用到混合動力汽車電機上，如圖7和圖8所示，混合動力汽車的動力部位各有2臺VR型旋轉變壓器和RD轉換器。因為充分利用有限的空間把旋轉變壓器內置于電機的軸承部分，電機的全長基本沒有變化。另外，電機的線圈也在內徑側，不容易受到干擾。電機發熱產生的高溫油浸等惡劣的環境條件也不會影響到旋轉變壓器的動作。圖9顯示的是安裝在EPS（電動助力轉向）的無刷電機上的VR型旋轉變壓器。

圖9安裝在EPS（電動助力轉向）的無刷電機上的VR型旋轉變壓器

汽車重量加大，EPS電機的電流就會增加，因此必須要無刷化。而且因為同軸設計，必須要耐熱、耐震的角度傳感器，所以采用了旋轉變壓器。因為高分節能且可以控制震動音，旋轉變壓器還被使用在了圓柱形EPS上。同時，旋轉變壓器還搭載在了慶應大學開發的8輪驅動電動汽車Eliica的電機上。

圖10顯示的是車載用VR型旋轉變壓器的各種使用案例。期待以后還能使用在引擎周邊和車輪、剎車周邊。

圖10車載用VR型旋轉變壓器的案例圖

5總結
在此對旋轉變壓器和其相關技術的原理到引用進行總結。高信賴性且高分解能的角度檢測器--旋轉變壓器，是即古老又新穎的角度傳感技術，以安心、舒適、環保為目標，期望在21世紀能隨著電機改革被普及開來。我們會繼續努力提高功能、性能并降低成本，滿足市場要求，不斷發展、進化。敬請期待。

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