阅读说明：本技术 一种磁阻式旋转变压器的定子结构及一体化旋转变压器 (Stator structure of reluctance type rotary transformer and integrated rotary transformer ) 是由 李宁 汪木兰 沙鑫 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了磁阻式旋转变压器定子的一种新结构,以及具有工业总线输出接口的一体化的磁阻式旋转压器,该一体化的磁阻式旋转压器有下面的特点：定子采用了环形主磁轭铁芯冲片和独立内齿冲片,这种结构允许将各个内齿单独缠绕线圈后再与环形主磁轭粘结,有利于提高生产效率,具有特定外轮廓形状的定子内齿,有利于提高此种磁阻式旋转变压器输出调幅波信号的包络线的正弦度,从而提高角度检测的精度。该种一体化的磁阻式旋转变压器的定子、激磁模块、轴角解算模块和总线接口模块集成为一体,可以根据需要采用多种工业现场总线的方式输出轴角信号,包括双工同步串行总线BISS接口和实时以太网总线EtherCAT总线接口,从而在满足实时性要求的前提下,将一般旋转变压器输出的模拟信号变成总线数据包文件,从根本上改变了传统的旋转变压器的使用方式,尤其适合于集群运动控制系统的检测和控制方面的要求。(The invention discloses a new structure of a reluctance type rotary transformer stator and an integrated reluctance type rotary transformer with an industrial bus output interface, wherein the integrated reluctance type rotary transformer has the following characteristics: the stator adopts the annular main magnetic yoke iron core punching sheet and the independent inner tooth punching sheet, the structure allows each inner tooth to be independently wound on the coil and then bonded with the annular main magnetic yoke, the production efficiency is favorably improved, the stator inner teeth with specific outer contour shapes are favorable for improving the sine degree of the envelope curve of the amplitude modulation wave signal output by the reluctance type rotary transformer, and the angle detection precision is further improved. The stator, the excitation module, the shaft angle resolving module and the bus interface module of the integrated reluctance type rotary transformer are integrated into a whole, shaft angle signals can be output in a plurality of industrial field bus modes according to requirements, and the shaft angle signals comprise a duplex synchronous serial bus BISS interface and a real-time Ethernet bus EtherCAT bus interface, so that on the premise of meeting the real-time requirement, analog signals output by a common rotary transformer are changed into bus data packet files, the use mode of the traditional rotary transformer is fundamentally changed, and the integrated reluctance type rotary transformer is particularly suitable for the requirements of detection and control of a cluster motion control system.)

一种磁阻式旋转变压器的定子结构及一体化旋转变压器

技术领域

本发明属于运动控制系统的传感器技术领域，具体涉及一种新的磁阻式旋转变压器的定子结构，以及具有总线接口的一体化的磁阻式旋转变压器，适用于基于旋转变压器进行位置测量的应用场合。

背景技术

交直流伺服系统、数控机床、机器人系统等领域都需要运动角度的测量，常用的测量转角和转速的传感器有光电脉冲编码器和旋转变压器。光电脉冲编码器虽有其优点，但不适合在恶劣环境下工作，而旋转变压器不仅可用于检测旋转物体的绝对角位置，而且由于其结构简单、精度高、可靠性强，适用于恶劣的环境等特点，被广泛应用于航空航天、汽车和军事应用等对检测精度和可靠性要求比较高的领域。传统的第一代旋转变压器为接触式，有电刷和滑环，这就使得结构比较复杂，可靠性降低。第二代的耦合式旋转变压器可以做到无刷化，但却需要增加绕组，使得结构更加冗余复杂。第三代的旋转变压器为磁阻式旋转变压器，磁阻式旋转变压器的转子为凸轮形状，没有附加的补偿绕组，结构简单，机械强度好，制造成本低，可靠性高。但是旋转变压器输出模拟信号，需要专门的轴角解算装置，因而不像输出数字或脉冲信号的光电脉冲编码器那样使用方便。再者磁阻式旋转变压器的定子是内齿形的，一个励磁绕组和两个输出信号绕组均按一定的规律缠绕在定子的内齿上。旋转变压器内部空间有限，其工作原理又决定了内齿的个数比较多，这就使得在生产磁阻式旋转变压器时，往定子内齿上落线缠绕成为技巧性强的工作，往往采用手工缠绕或半手工缠绕的方式，这道工序限制了生产效率的提高。

发明内容

为解决上述问题，本发明给出了磁阻式旋转变压器定子的一种新结构，以及具有工业总线输出接口的一体化的磁阻式旋转压器，该一体化的磁阻式旋转压器有两个特点，一是采用新的定子结构和相应的制造工艺，这样有利于提高生产效率；二是将旋转变压器的定转子本体与轴角解算电路集成为一体，并采用多种工业现场总线的方式输出轴角信号，使得旋转变压器也能像光电脉冲编码器一样方便使用。

本发明采用如下技术方案，一种磁阻式旋转变压器的定子结构，其特征在于，其定子磁路的主磁轭是用环状的冲片叠压而成，定子的内齿铁芯是用单独的冲片叠压而成的，内齿铁芯冲片呈对称形状，内齿铁芯冲片腰部两侧呈弧形向内凹进，定子绕组缠绕在内齿的腰部，所有内齿对称地粘结在环形主磁轭的内侧，以形成磁阻式旋转变压器的定子。

优选地，所述定子内齿冲片的上边缘与环形主磁轭粘结接触的部分成圆弧线段，该段圆弧的曲率与环形主磁轭内侧的曲率相同。

优选地，所述定子内齿冲片的下边缘呈向外凸出状，以使得内齿的下边缘线的中间位置与转子的径向距离最小。

优选地，所述定子内齿的个数等于旋转变压器极对数的4倍。

优选地，所述定子绕组包括一个激磁绕组和两个输出绕组，所述激磁绕组缠绕于每个内齿上，相邻的两个齿的激磁绕组的绕制方向相反，两个输出绕组彼此间隔一个内齿而绕制，每个输出绕组在间隔相邻的齿上的绕制方向相反。

一种一体化磁阻式旋转变压器，其特征在于，磁阻式旋转变压器的定子、激磁模块、轴角解算模块、总线接口模块四部份集成为一个整体，激磁模块与旋转变压器定子激磁绕组相连，轴角解算模块分别与旋转变压器定子的两个输出绕组相连，总线接口模块与轴角解算模块相连，旋转变压器的转子为是另一个独立模块，转子冲片外轮廓呈凸轮状，凸轮的齿数等于旋转变压器的极对数，转子上没有绕组。

优选地，所述激磁模块产生旋转变压器激磁信号的工作过程包括如下步骤：

步骤一，由微处理器根据DDS算法产生高频的数字正弦信号D_ex；

步骤二，将数字正弦信号经D/A转换成为模拟信号，通过运算放大器实现电平移动和功率放大，激磁信号用于驱动旋转变压器的激磁绕组。

优选地，所述轴角解算包括如下步骤：

步骤一，接收旋转变压器两个输出绕组的信号U₁与U₂，经过两路高速A/D转换，得到两路数字化的调幅波信号；

步骤二，以当前轴角数值为瞬时相位生成两路正交的数字正余弦信号与

步骤三，将生成的两路数字正余弦信号分别与两路数字化的调幅波信号相乘，并将乘积相加，得到乘积和；

步骤四，利用数字正弦信号D_ex与步骤三中得到的结果相乘，实现相敏解调

步骤五，对步骤四得到的结果进行数字低通滤波运算，并将滤波后的结果与当前轴角数值进行累加，得到新的轴角数值。

优选地，所述总线接口模块包括全双工同步串行总线BISS接口和实时以太网总线EtherCAT总线接口。

发明所达到的有益效果：本发明给出了磁阻式旋转变压器定子的一种新结构，以及具有工业总线输出接口的一体化的磁阻式旋转压器，该一体化的磁阻式旋转压器有下面的特点：定子采用了环形主磁轭铁芯冲片和独立内齿冲片，这种结构允许将各个内齿单独缠绕线圈后再与环形主磁轭粘结，有利于提高生产效率，具有特定外轮廓形状的定子内齿，有利于提高此种磁阻式旋转变压器输出的调幅波信号的包络线的正弦度，从而提高角度检测的精度。该种一体化的磁阻式旋转变压器的定子模块、激磁模块、轴角解算模块和总线接口模块集成为一体，可以根据需要采用多种工业现场总线的方式输出轴角信号，包括双工同步串行总线BISS接口和实时以太网总线EtherCAT总线接口，在满足实时性的要求的前提下，将一般旋转变压器输出的模拟信号变成总线数据包文件，从根本上改变了传统旋转变压器的使用方式，尤其适合于集群运动控制系统的检测和控制的场合。

附图说明

图1是包含激磁模块、轴角解算模块和总线接口模块的总体功能结构图

图2是激磁信号产生与轴角解算的流程图

图3是磁阻式旋转变压器定子的局部截面图

图4是磁阻式旋转变压器的定子的内齿冲片的轮廓图

图5是一体化磁阻式旋转变压器的凸轮转子外轮廓图

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

附图1是一体化的磁阻式旋转变压器的电路的功能结构图，电路采用STM32F429为处理器，处理器内部包含了激磁模块、轴角解算模块和总线接口模块，由STM32F429为处理器根据DDS算法产生高频的数字正弦信号D_ex，该数字正弦信号经D/A转换成为模拟信号，通过运算放大器实现电平移动和功率放大，激磁信号用于驱动旋转变压器的激磁绕组。

旋转变压器两个输出绕组的信号U₁与U₂，经过两路高速A/D转换，而输入到STM32F429中，得到两路数字化的调幅波信号。

以当前轴角数值为瞬时相位生成两路正交的数字正余弦信号与将生成的两路数字正余弦信号分别与两路数字化的调幅波信号相乘，并将乘积相加，得到乘积和，再乘以数字正弦信号D_ex，实现相敏解调。

相敏解调后的结果进行数字低通滤波运算，并将滤波后的结果与当前轴角数值进行累加，得到新的轴角数值。

轴角数值通过总线接口模块输出，可以根据需要选择全双工同步串行总线BISS接口和实时以太网总线EtherCAT总线接口。

附图2是STM32F429进行DDS运算产生激磁信号，以及进行轴角解算的工作流程图。附图3是一体化磁阻式旋转变压器定子的局部截面图。附图4是一体化磁阻式旋转变压器的定子的内齿冲片的轮廓图。附图5是一体化磁阻式旋转变压器的凸轮转子外轮廓图，在此具体的实施例中，转子的凸轮齿数是3。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。