用于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器仿真設(shè)計(jì)

張曉宇

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，江門529090）

0 引 言

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種把軸角信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的電磁感應(yīng)式傳感器，其以可靠性高、精度高、抗沖擊、振動(dòng)、以及能夠提供高精度的位置信息等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于要求可靠性高的各種伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，但旋轉(zhuǎn)變壓器有電刷和滑環(huán)等接觸結(jié)構(gòu)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有可能產(chǎn)生火花帶來電磁干擾，而無刷旋轉(zhuǎn)變壓器沒有電刷滑環(huán)的接觸，具有無刷化、高可靠性、高精度、成本低廉和易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，可以提高系統(tǒng)的可靠性和抗 沖擊能力 ，適應(yīng)條件惡劣的工作環(huán)境，并能連續(xù)高速，長壽命的運(yùn)行.已被廣泛應(yīng)用于如航空、航天、雷達(dá)、坦克等軍事裝備，也用于數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).

無刷旋轉(zhuǎn)變壓器是在接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其結(jié)構(gòu)形式很多，如環(huán)形變壓器結(jié)構(gòu)、電機(jī)鐵心兼做環(huán)形變壓器結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子杯結(jié)構(gòu)等等.目前國內(nèi)外采用比較多的是如圖1所示的環(huán)形變壓器結(jié)構(gòu)，即用環(huán)形變壓器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電刷和滑環(huán)，以實(shí)現(xiàn)無接觸.這種結(jié)構(gòu)精度高，零位電壓低，功率消耗?。?－4］.

本文詳細(xì)地介紹了無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理，采用電磁場仿真軟件Ansoft／Maxwell 2D設(shè)計(jì)，并進(jìn)行瞬態(tài)磁場的仿真分析.通過仿真分析，得出了無刷旋變的兩相輸出電壓和磁場分布圖.分析了電機(jī)內(nèi)磁場分布的規(guī)律，通過對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了符合要求的樣機(jī).

圖1 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)圖

1 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器具有一個(gè)或兩個(gè)環(huán)形變壓器，如圖1所示，環(huán)形變壓器的轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繞組直接相連.當(dāng)環(huán)形變壓器的定子繞組施加勵(lì)磁信號(hào)ER1R2＝Esinωt時(shí)，在環(huán)形變壓器的轉(zhuǎn)子繞組中就產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電勢，其大小與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角無關(guān)，此電勢施加在旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繞組上，即為旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁電壓，從而形成無刷結(jié)構(gòu)，如圖2所示［1］.

圖2 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖

假定定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)變比為k∶1，則兩相正交繞組中將感應(yīng)如下信號(hào)：

ES1S3＝UCOS＝kEsinωtcospθ

ES2S4＝USIN＝kEsinωtsinpθ

E——正弦波勵(lì)磁電壓幅值；

ω——正弦波勵(lì)磁電壓角頻率；

k——電壓比；

θ——轉(zhuǎn)子角度；

p——極對(duì)數(shù).

無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁信號(hào)和兩相輸出信號(hào)波形如圖3所示［2］.

圖3 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁及輸出波形

2 無刷旋變模型建立和磁場分析

2.1 模型建立

無刷旋轉(zhuǎn)變壓器由環(huán)形變壓器及旋轉(zhuǎn)變壓器兩部分組成，相關(guān)參數(shù)如表1所示.環(huán)形變壓器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，本文主要分析旋轉(zhuǎn)變壓器部分，采用電磁場仿真軟件Ansoft／Maxwell 2D設(shè)計(jì)分析.

首先應(yīng)用Maxwell 2D，建立二維有限元模型，然后再進(jìn)行磁場分析 ，并計(jì)算氣隙磁密 ，在此基礎(chǔ)上求解輸出波形.Maxwell是Ansoft公司的電磁場有限元分析軟件 ，它的高性能矩陣求解器、多CPU處理能力、自適應(yīng)的網(wǎng)格剖分技術(shù)和用戶定義材料庫等特點(diǎn) ，使其可以快速完成磁場分析.

表1 樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

旋轉(zhuǎn)變壓器二維有限元模型如圖4所示.

圖4 旋轉(zhuǎn)變壓器二維有限元模型

2.2 材料特性及激勵(lì)源設(shè)置

在指定材料屬性時(shí)，定、轉(zhuǎn)子沖片所采用的硅鋼片材料的型號(hào)是DW310，導(dǎo)線材料設(shè)置為銅（copper），氣隙和轉(zhuǎn)動(dòng)帶都設(shè)置為真空（vacuum）.在Ansoft／maxwell 2D的材料數(shù)據(jù)庫中并沒有該種材料，所以要將B－H曲線離散化再將其中的值輸人到材料賦值器中自定義該種材料擬合出材料的B－H曲線.

二維瞬態(tài)分析中可以設(shè)置的激勵(lì)源有：實(shí)體電流、實(shí)體電壓、表面電流以及外部電路，本文分析的無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器為單相勵(lì)磁，兩相輸出，因此選用單相交流電壓激勵(lì)，u＝ 7sin2000πt.

2.3 有限元網(wǎng)格剖分

有限元法是以變分原理和近似插值離散為基礎(chǔ)的一種數(shù)值計(jì)算方法，它的計(jì)算精度取決于剖分單元的大小與單元的分布 一般來說，單元數(shù)越多，則近似解的精度就越高，為了得到較精確的計(jì)算結(jié)果，單元的大小與單元的疏密分布要合理，合理的網(wǎng)格需要在網(wǎng)格自動(dòng)剖分程序所生成的初步網(wǎng)格基礎(chǔ)上，由網(wǎng)格細(xì)分環(huán)節(jié)來得到，氣隙是最重要的部分，對(duì)其進(jìn)行手動(dòng)剖分.有限元剖分圖如圖5所示.

圖5 旋轉(zhuǎn)變壓器網(wǎng)格剖分圖

2.4 后處理

對(duì)模型分別用magnetostatic及transient模塊設(shè)置并求解，通過Ansoft／maxwell 2D軟件強(qiáng)大的后處理功能，可得到相應(yīng)參數(shù)的仿真結(jié)果，用以分析判斷無刷旋變性能是否達(dá)到所需的要求，若不滿足，可以調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，重新建模仿真.

2.5 有限元分析結(jié)果

通過對(duì)模型的有限元仿真分析，可以得到無刷旋變空載磁密及磁力線分布，如圖6、圖7所示.對(duì)其兩相輸出繞組分別按正弦繞組設(shè)置，仿真分析可得到兩相正余弦輸出繞組玻形，如圖8所示.

圖8 旋轉(zhuǎn)變壓器正余弦輸出波形圖

3 結(jié) 語

本文簡要分析了無刷旋轉(zhuǎn)變壓器中關(guān)鍵的旋轉(zhuǎn)變壓器部分的仿真設(shè)計(jì)，利用電磁場仿真軟件Ansoft／Maxwell 2D的 magnetostatic及transient模塊建立有限元仿真模型并求解得到旋轉(zhuǎn)變壓器的磁場分布及輸出電壓波形，通過對(duì)其氣隙大小及繞組匝數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了滿足要求的優(yōu)化方案，為以后快速、準(zhǔn)確設(shè)計(jì)無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器打下基礎(chǔ).

［1］ J o a～o Figueiredo.Resolver Models for Manu Facturing［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2011，58 （8）：3693－3670.

［2］ Ruijie Zhao，Xuejun Tao，etal.Research on The Decoding Method of Resolver［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2011，11（1）：329－333.

［3］ Lazhar Ben－Brahim，Mohieddine Benammar，etal.A New Angle Determination Method For Resolvers［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2008，08（2）：126－131.

［4］ H.S.Mok，S.H.KimandY.H.Cho.Reduction of PMSM Torque Ripple Caused by Resolver Position Error［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2007，42（11）：121－125.