42 新能源汽车旋变传感器的工作原理及常见故障检测方法

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01

旋变传感器的工作原理

一、旋变传感器的安装位置

旋变传感器一般安装在电动汽车电机内部，起着测定转子磁极位置从而为逆变器提供正确换向信息的重要作用。

二、旋变传感器的作用

汽车转速位置传感器的分类：旋变传感器和霍尔编码器

旋变传感器的作用是检测转子位置信号，并把该信号转化为电信号传递给控制器进行解码获得转子转速、转子角度、转子方向。

你可以这么理解，如果说电机控制器控制电机就像驾驶员操纵汽车那样，那旋变的作用就像车上的车速表，司机可以通过车速表和导航知道车辆的速度。

电机控制器就是通过旋变知道电机是正着转还是反着转，转到哪里，转的有多快。

三、旋变传感器的工作原理

在了解旋变传感器之前，先简单了解一下变压器的工作原理。变压器就其本质来说也是一种电感器，利用电磁互感应来变换电路中交流电压、电流和阻抗特性的器件。变压器的原理是：当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压。普通变压器输入线圈和输出线圈都是固定的，两端的电压比值是固定的。

与普通变压器的区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数。

而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。

利用气隙和磁阻的变化使输出绕组的感应电压会随机械转角作相应正弦或余弦的变化，同时转子必须满足多磁极的要求，旋转变压器的定子与转子的磁极数是不相同的，定子磁极数比转子的多。

旋变的三个线圈，其中转子齿为4个，定子齿画出5个。激磁线圈、正弦线圈和余弦线圈均安置在定子槽内，输入的激磁绕组1-1是逐个磁极反向串接，而正弦线圈2-2及余弦3-3，则是以两个磁极为间隔，反向串接的输出绕组。当转子相对定子旋转时，定子、转子间气隙的磁导发生变化，每转过一个转子齿距，气隙的磁导变化一个周期。当转子转过一圈时，则变化出与转子齿相同的数个周期。气隙磁导的变化导致输入和输出绕组之间互感的变化，输出绕组感应的电势也随之发生变化。输出绕组按正弦及余弦规律变化来判断转子的瞬间位置以及旋转的方向。

❓旋变传感器是如何判断正转还是反转的呢？

当电机控制器给励磁绕组加上一个正弦信号（交流电）的时候，如果转子不动，正弦绕组、余弦绕组会输出一个频率和幅值不变的正弦信号跟输入是一样的，但是可能它的幅值大小会有点不同。

当转子转动的时候，由于转子上有凸起还有凹陷，通过线圈磁通量不同，会造成线圈产生电压不同。正弦上的电压会呈现包络信号，余弦上的电压会呈现包络信号与正弦相差90度。

正转特征：正弦波形超前余弦波形90°；  

反转特征：正弦波形滞后余弦波形90°。

❓旋变传感器是怎样计算这些信号角度呢？

假设我们励磁输入电压是V1，正弦绕组信号电压是V2， 余弦信号电压就是V3。

V2=V1*sinωT  ω就是角速度，

V3=V1*cosωT  

V2/V3=(V1*SinωT)/(V1*cosωT)=tanωT。

ωT是角度，那么V2V3的电压我们就是可以测量出来的，那么就可以通过计算就可以得到一个角度。

此外，电机控制器内部有对应接口电路，接口电路作为旋变传感器与主控芯片之间的桥梁，保证了两者之间信号的有效传输和处理，是实现电机高精度控制的关键环节。

主控芯片输出3.3V高电平的PWM（脉冲宽度调制）信号，经过接口电路中的激励信号调理模块。该模块对信号进行调理和功率放大，生成高频激励信号，通过电阻R1、R2传输给旋变传感器。
原理：功率放大是为了让激励信号有足够的驱动能力，确保旋变传感器能够正常工作并产生准确的反馈信号。
旋变传感器产生的正余弦信号S1、S3和S2、S4输入到接口电路的正余弦信号调理模块。
接口电路将处理后的激励控制信号EXCT以及正余弦信号SIN、COS传输给主控芯片TC1782。主控芯片通过内置的旋变解码模块对这些信号进行解码，结合矢量控制算法，计算出电机的角度θ和角速度ω，实现对电机的精确控制 。

❓旋变传感器是如何判断转速的呢？如何得到仪表上的车速？

通过接口电路对旋变传感器输出的正余弦信号进行处理传输给主控芯片，主控芯片利用内置的旋变解码模块，根据正余弦信号的幅值关系计算出电机转子当前的角度位置。

角度值计算:θ= atan2(sin信号幅值/cos信号幅值) 转速计算：转速 = 角度变化量 / 时间间隔

车速由电机转速、传动系统减速比等参数共同决定。控制器将转速转换为实际车速值，并通过CAN总线发送至仪表盘显示。

02

旋变传感器的常见故障检测方法

旋变传感器故障的原因可能有:传感器本身损坏、芯片损坏、信号线短路或断路等。当旋变变压器有故障的时候，我们是怎么样去判断它的好坏呢？

方法一：波形测量

1、将示波器通道a连接正弦，通道b连接余弦。

2、用12伏变压器给励磁绕组通入12伏交流电。

3、将旋变定子放到合适位置，发现正弦、余弦感应出了固定伏值的交流电。

4、转动转子，随着转子的转动，正弦、余弦的交流电压发现了伏值的变化。

结果分析：将截取到的波形放大，波形呈现正余弦的变化关系。一个信号到达最大时，另一个信号到达最小，将会相差90度为正常。

如果没有示波器，可以使用万用表测量旋变线圈的阻值来确定旋变的好坏。

方法二：电阻测量

拔掉电机低压插头测量电阻，可以通过分别测量电机侧励磁绕组、正弦绕组、余弦绕组的电阻来判断好坏。不同电机品牌旋变变压器电阻可能不一样。

R正弦=R余弦

R励磁=1/2R正旋=1/2R余弦

在检测旋变传感器好坏时，可以使用万用表调到阻值档测量其针脚，如果励磁出现无穷大或零，说明出现了短路或断路;如果两个正弦和余弦相差较大，也可以判断其损坏。

实测案例:

注意：旋变绕组阻值标准大家可以参考具体车型的维修手册。

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