基于labview的旋转变压器测试系统

论文总字数：22789字

摘 要

Abstract …………………………………………………………………………………………………II

1. 绪论 ………………………………………………………………………………………………1

1.1前言 ………………………………………………………………………………………………1

1.2国内外研究现状 ………………………………………………………………………………1

1.3旋转变压器概述及其原理 ………………………………………………………………2

1.4本章小结 ……………………………………………………………………………………6

第二章 旋转变压器测试系统软硬件设计 ……………………………………………………7

2.1旋转变压器测试系统硬件组成 ………………………………………………………7

2.2旋转变压器测试系统软件设计 ………………………………………………………9

2.3本章小结…………………………………………………………………………………………18

第三章 旋转变压器测试系统测试结果 ………………………………………………………19

结论 …………………………………………………………………………………………………………21

谢辞 …………………………………………………………………………………………………………22

附录I …………………………………………………………………………………………………………23

附录II …………………………………………………………………………………………………………25

参考文献（References） ………………………………………………………………………………28

基于LabVIEW的旋转变压器测试系统

The test system of Resolver based on LabVIEW

摘要：旋转变压器主要用于测量轴转动速度和转角位置，比同类传感器具有更高的分辨率、成本也更低及环境适应范围也更广等优点，可用于航空、航天、弹道导弹、火炮、混合动力及电动汽车等用途。旋转变压器由于它具有简单的结构，非常的坚固耐用，抗干扰性也特别强，可以在各种条件极差的场合中应用，因此使用得也更加广泛。因此，对于旋转变压器的精度测试变得越来越重要。传统的测试方法操作十分繁琐，因此费工费时，它是首先将旋变固定于机械分度仪上，然后通过手动旋转，一步一步找到电压零位，再按一定角度一步步逐次测试比较。正是由于这个原因，无法适应大规模生产和测试的需求。本论文设计了一种基于LabVIEW的旋转变压器测试系统，编写软件来控制测试系统内的转台、万用表、角位置指示仪、相位表、信号发生器等设备，测量旋变精度。在实验开始前，要给转台找到绝对零位；给旋转变压器找到零位。该系统的关键是采用NAI-8810A角位置指示仪来测量旋转变压器的电气角度，经过软件换算，可得到旋转角度，多次重复以上步骤。之后与之前的已知转台旋转的角度进行对比计算，即可测得旋变的测量精度。实验结果符合实验预期及要求。

关键词：旋转变压器；LabVIEW；旋变精度；NAI-8810A

Abstract

Resolver is mainly used for measuring rotational speed and angle position, which has higher resolution, lower cost and greater environmental adaptation range compared with other sensors, can be used in aviation, spaceflight, ballistic missiles, gun, hybrid and electric vehicles and other purposes. Resolver can be used in a variety of conditions because of its simple structure, durable, strong anti-jamming. So, it gain more and more widely used and its precision test become more and more important. The traditional test method is that get the Resolver fixed on mechanical index instrument, find the zero voltage by manual rotation, then compare the rotation angle with the fixed angle. This method is so time-consuming and complex that it can’t meet the production requirements. This paper designed the test system of Resolver based on LabVIEW, Through the software we can control the rotary table, Multimeter, phase meter, signal generator, etc, in order to test the precision of the Resolver. Before the experiment starts, we should find the zero position of the rotary table and the Resolver. The key of this test system is the NAI-8810A(A kind of Angular position indicator) which is used for measuring the electrical angle. Repeat the above steps, then compared with the rotation angle of the rotary table ,we will receive the precision of the Resolver.

Key words: Resolver; LabVIEW; The precision of the Resolver; NAI-8810A

第一章 绪论

1.1前言

旋转变压器是一种主要用于测量角度的小型交流电动机，由于它较高的分辨率和优秀的环境适应能力，目前在各个领域应用的都较为广泛[^[1]]。旋转变压器由于它具有简单的结构，非常的坚固耐用，抗干扰性也特别强，能够在各种条件极差的场合中应用，因此应用得也越来越广泛。这些年来，国家大力倡导可持续发展，加速经济形式向环境友好型转变，因此高效率、高节能的永磁交流电动机应用得更加广泛[^[2]]。目前永磁交流电动机内部使用的位置传感器，更多的是旋转变压器，而之前光学编码器在这方面应用较得多。其实在生活中，装有旋转变压器的永磁交流电动机到处都有，如冰箱、空调、洗衣机等。目前在制造领域，电动汽车是最引人关注的领域之一，是因为近年来气候变暖，环境越来越差，全世界各国都在倡导可持续发展，而电力资源相对更加节能和环保。而电动汽车内部重要的位置传感器、速度传感器都属于旋转变压器[^[3]]。在塑压系统、纺织系统、冶金系统和一些其他的领域里，在伺服系统的关键部件伺服电动机的器件选择上，也都是使用旋转变压器来当做位置速度传感器[^[4]]。

就目前旋变产品的市场来看，它的需求量仍然非常大，市场空间广阔，因此，旋转变压器产品的检测技术仍然需要提高。而对于旋转变压器的检测，传统的机械式和电磁分度式等检测方法，操作十分繁琐，因此费工费时。它的过程是首先将旋变固定于机械分度仪上，然后通过手动旋转，一步一步找到电压零位，再按一定角度依次测试比较。虽然这些传统的检测方法的准确度和灵敏度较高，但是由于操作方法本身的限制，无法适应生产线测试需求，成为阻碍旋转变压器批量生产，产业化的一大难题[^[5]]。

随着工业技术更加发达，科学家成功研制出了精度更高的角位置指示仪，这一发明使旋变的快速检测工作进入到新的篇章[^[6]]。在新的测试系统中，操作者需要先将被测的旋转变压器安装到支架上，然后调整旋变的初始位置，连接好测试线路以后，用角位置指示仪来测出电气零位，接着计算机的软件控制系统会根据检测需求来自动确定需要测试的位置，并且读取每个检测位置相应的机械角度，再旋转分度头到下一需要检测的角度位置，读取相应的角度信息，一直到检测结束，最后，计算机的软件测试系统会直接得到被测旋变的电气误差，并且直接可以打印测试结果[^[7]]。但是，需要注意的是，在使用旋转变压器测量角度的时候，由于制造和安装等过程中难以避免的原因，总会引起一些不同的谐波分量误差，若想减小这方面的误差，一方面，需要工艺水平的不断提高，另一方面，需要使用一些标定的工作[^[8]]。只有这样才可以使测试工作快速准确地完成，才能迅速方便地完成旋变驱动和转角的测量，才能有效解决目前测试中的问题，使旋变可以大规模生产。

1.2国内外研究现状：

当前，各国有非常多研究关于角位移测量仪器的公司和机构：像德国的Heidenhain 公司、Opton 公司、Bamp;L 公司、日本的多摩川公司、三丰公司，以及英国、瑞士和俄罗斯等国家的众多研究机构[^[9]]。在这些公司和机构中，以Heidenhain公司的研究水平最高，最为先进，品种也是最全的，在提供各种角位测量方案中处于领先地位。而日本的多摩川公司因为研制出了0.0001 秒超精密角度计测装置和超精密角度分割装置，使该公司生产的测角传感器有非常高的精度，在该方面是亚洲国家中的佼佼者。

我国在刚建国的时候，在角度测量技术的相关研究方面非常的匮乏。但在科学家和相关科研团队不断奋斗五六十年后的今天，我国目前已经逐渐建立和健全了自己的角度计量标准。在角度测量技术的某些方面，我国的水平也达到了世界前列。正因为这些科研工作者的努力，我们国家已经不要需要太多的进口，目前已经基本可以满足国家的经济和国防建设的需求 [^[10]]。

总的来说，目前国内外的测角技术的研究已经日趋完善，按照时间顺序来分类的话，可以将测角方法分为传统测角方法和现代测角方法。传统的测角方法主要分为电磁分度式和机械式两种。而现代的测角方法按照工作原理的不同，主要分为电学方法、光栅方法、光学方法、光电编码器方法和电磁方法等[^[11]]。

1.3旋转变压器概述及其原理

旋转变压器是一种电磁式传感器，它的使用目的是测量角度，本质上讲它是一种小型的交流电动机，在测量旋转物体的转轴角位移和角速度方面作用突出，它和其它常见的电机一样，由定子和转子组成。一边为原边，一边为副边，利用电磁耦合，一边接受励磁电压，另一边产生感应电压。旋转变压器的工作原理和常见的普通变压器没有什么不同，主要不同在于普通变压器的原边和副边绕组一般是相对固定的，因此输入和输出电压之比通常是常数，而旋转变压器，它的工作目的就是测量角度，所以它的工作状态是转子的角位移处于不断变化当中。而随着转子角位移的不断变化，它的原边、副边绕组相对位置也在不停地变化，所以旋转变压器输出电压的大小随着转子角位移的变化在不停的改变。由于这种原因，输出绕组的电压幅值和转子转角之间或保持一种正、余弦的函数关系，或保持某一特定的比例关系，或在一定角度范围内与转角的大小保持线性关系[^[12]]。本文测试系统中使用的是正余弦旋转变压器。在同步随动系统和数字随动系统中，旋转变压器可以用来传送转角或电信号的信息；在解算装置中，旋转变压器可用作解算函数，因此也被称作解算器。

旋转变压器在角度、位置、速度的检测中，属于一种精密装置，所有适合使用旋转编码器的场合，都可以使用旋转变压器。而一些旋转编码器无法实现正常工作的高温、严寒、潮湿、高速、高震动等场合，旋转变压器依然可以正常使用。也正是因为旋变的这些优点，它能够完全直接代替光电编码器，不管是传统行业还是高科技行业，在角度、位置检测装置中得到更加普遍地使用。除此之外，在坐标变换、三角运算领域，在角度数据的传输工作当中、以及在角度-数字转换器中的两相移相器，旋转变压器都可以派上用场[^[13]]。

常见的角位置传感元件有三种：光学编码器、磁性编码器和旋转变压器。光学编码器是一种数字化传感器，在制作中用到了光学、电机学、电磁场多种知识，在测量被测物体的转角或直线位移量中，具有非常高的精度。光学编码器的输出信号是脉冲，而脉冲属于一种天然的数字量，处理数据十分简单，可以容易地保证较高的分辨率和检测精度，因此目前应用仍然十分广泛。然而，光学编码器对电极质量要求很高，而且对潮湿气体和污染敏感，不适宜使用在条件极差的环境，可靠性低。而磁性编码器受受尘埃和结露的影响较小，而且结构相对简单，运转速度和运行速度也比较快，可以达到500～700kHz ，它的体积更小，成本更低，这些特点是它独具的优势[^[14]]。

但是，因为电子技术越来越发达，各类电子元件不但集成度越来越高，成本却越来越便宜。而且，旋转变压器的信号处理电路随着信号处理技术的发展，尤其是近年来软件解码信号处理技术的出现，变得更加简单灵活、可靠性强[^[15]]。和旋转变压器跟其他的编码器相比优势明显：（1）在性能方面，光电编码器由于内部集成了非常多处理电路以及各种电子元器件，受振动、温度、腐蚀性气体，灰尘及油污的影响明显，而且，由于受影响于光源寿命，它的性能也不稳定。但是，旋变内并没有电子元件，受上述原因影响使用效果的情况并不会出现；（2）在实际应用场合，旋转变压器的尺寸选择很多，可以适用多种场合，而且旋变的精度也能够满足绝大多数场合。

综上所述，旋转变压器的优点是：（1）在可靠性方面更加稳定，在环境适应性方面独具优势；（2）可以运行在其他编码器所无法适应的更高的转速下和更多对尺寸有要求的场合；（在输出12bit的信号下，允许电机的转速可达60000rpm；而光学编码器，由于光电器件频响一般在200kHz以下，在12bit时，速度只能达到3000rpm。）（3）绝对值信号输出非常方便与准确，处理起来也非常的简单易行。

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