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旋转变压器在混合动力汽车中的应用

导读: 本文介绍虽然目前已逐渐被广泛应用,但仍未被人们所熟悉的角度位置传感元件—旋转变压器,通过对旋转变压器的发展、原理、性能简单介绍讨论旋变在混合动力汽车中的应用。

        随着世界各国环境保护措施越来越严格,用环保型汽车替代普通燃油发动机汽车将成为今后汽车发展的主流,目前已经出现的环保汽车有:太阳能汽车、氢能源汽车、燃料电池汽车混合动力汽车等等。但是在这些车型中, 目前只有混合动力汽车真正具有实用推广价值。

        混合动力汽车的动力系统以动力传输路线分类,可分为串联式、并联式和混联式等三种。不管采用何种方式,在电动机参与传动时都需要速度反馈,控制器接收到速度反馈信号后控制电动机驱动机构将车速稳定在目标速度, 也可以根据速度选择传动方式。常用的速度反馈元件有旋转编码器,霍尔速度传感器、旋转变压器(简称旋变)。从功能上来讲,三者都能完成速度反馈的功能,但是编码器由于码盘防护等级不高,容易震坏,虽然有较高的分辨率,但是维修频率高,从而影响整台车质量可靠性;霍尔速度传感器价格便宜、 但是分辨率低,使得控制精度受到限制, 而且霍尔元件长时间受热后磁性会减弱,所以使用寿命不长。

        旋转变压器用于运动伺服控制系统,作为角度位置的传感和测量用。早期的旋转变压器用于计算解答装置中,作为模拟计算机中的主要组成部分之一。其输出,是随转子转角作某种函数变化的电气信号,通常是正弦、余弦、线性等。这些函数是最常见的,也是容易实现的。在对绕组做专门设计时,也可产生某些特殊函数的电气输出。但这样的函数只用于特殊的场合,不是通用的。60年代起,旋转变压器逐渐用于伺服系统,作为角度信号的产生和检测元件。三线的三相的自整角机,早于四线的两相旋转变压器应用于系统中。所以作为角度信号传输的旋转变压器,有时被称作四线自整角机。随着电子技术和数字计算技术的发展,数字式计算机早已代替了模拟式计算机。所以实际上,旋转变压器目前主要是用于角度位置伺服控制系统中。由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度,所以旋转变压器应用的更广泛。特别是,在高精度的双通道、双速系统中,广泛应用的多极电气元件,原来采用的是多极自整角机,现在基本上都是采用多极旋转变压器。
旋转变压器是目前国内的专业名称,简称“旋变” 。
   
        早期的旋转变压器,由于信号处理电路比较复杂,价格比较贵的原因,应用受到了限制。因为旋转变压器具有无可比拟的可靠性,以及具有足够高的精度,在许多场合有着不可代替的地位,特别是在军事以及航天、航空、航海等方面。随着电子工业的发展,电子元器件集成化程度的提高,元器件的价格大大下降;另外,信号处理技术的进步,旋转变压器的信号处理电路变得简单、可靠,价格也大大下降。而且,又出现了软件解码的信号处理,使得信号处理问题变得更加灵活、方便。这样,旋转变压器的应用得到了更大的发展,其优点得到了更大的体现。

        图1是一个比较典型的角度位置伺服控制系统。XF称作旋变发送机,XB称作旋变变压器。旋变发送机发送一个与机械转角有关的、作一定函数关系变化的电气信号;旋变变压器接受这个信号、并产生和输出一个与双方机械转角之差有关的电气信号。伺服放大器接受选变压器的输出信号,作为伺服电动机的控制信号。经放大,驱动伺服电动机旋转,并带动接受方旋转变压器转轴及其它相连的机构,直至达到和发送机方一致的角位置。

图1  旋转变压器角度位置伺服控制

        旋转变压器由于转子和定子分离,无接触,而且采用无刷设计,所以有很高的防护等级,能耐高强度的震动,不怕水和油污,使用寿命可以长达数十年,另外采用专用的转换芯片解码,可以将旋变输出的模拟信号转换为数字信号,有和旋转编码器相当的解码精度。因此,做为混合动力汽车的速度反馈元件,旋变可以说一种比较理想的选择。

        混合动力汽车由电动机驱动时必须检测电动机的转速,应用旋变时需要将其转子安装在马达轴上检测其速度,当然也可以通过其他耦合方式检测。安装在电机内部时,由于马达内部的磁场会影响旋变本身的磁通量变化率,从而影响其解码精度,因此必须加装屏蔽罩。并且在旋变的输出线上套上屏蔽线,降低空间电磁干扰。采用这种安装方法将使旋变得到很好的保护,不会受到灰尘、油污等的影响, 因此旋变使用寿命长,故障率低, 是一种理想的使用方法。

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