操作旋转变压器的制作方法

本发明涉及用于操作旋转变压器的方法和装置，特别是用于操作与关节式机器人臂中的关节相关联的旋转变压器。

背景技术：

1、关节式机器人臂包括多个连杆，这些连杆通过可旋转关节而彼此耦合、耦合到基座或耦合到末端执行器。这种机器人臂的连杆通常容纳用于驱动相邻关节进行旋转的马达和齿轮，以及用于该连杆的马达的、用于更远端连杆(以及可能的末端执行器)的马达的电源线和信号线。在操作中，机器人的运动往往会磨损导线的绝缘层。在许多情况下，绝缘层不会突然损坏，但其电阻会逐渐减小，从而使反馈给控制器的测量信号失真。这种失真可能使控制器从测量信号中得出与真实位置不同的机器人位置。这种偏差不仅会影响机器人可以执行给定任务的精度，而且还预示着绝缘层的彻底损坏，其一旦发生，会导致机器人做出会危及到其附近人员的不可预测运动。

2、传统上，旋转变压器包括所谓的转子绕组和定子绕组，它们可以相对于彼此旋转并且被电感耦合，使得当交流电流流过至少一个转子绕组时，使在至少一个定子绕组中感应出交流电压。传统上，旋转变压器具有彼此成直角布置的两个定子绕组，使得当θ标示着转子的取向角时，其中一个定子绕组中的感应与sinθ成正比，而另一个定子绕组中的感应与cosθ成正比。因此，这些绕组也分别被称为正弦绕组和余弦绕组。

3、当旋转变压器正常操作时，转子绕组与定子绕组之间的总耦合与绕组的相对取向无关，即，在定子的正弦和余弦绕组中感应的电压幅度us、uc的毕达哥拉斯(pythagorean)和与转子的取向无关。当与其中一个定子绕组相关联的导线的绝缘层有缺陷时，在其中感应出的电压的部分或全部可能会短路，使得可以基于所述和的变化而检测出绝缘层的缺陷。然而，由于为了检测缺陷而必须评估的信号是来自两个绕组的贡献之和，而在大多数情况下两个绕组不会同时出现缺陷，因此来自有缺陷的绕组的贡献越小，缺陷就越难检测到。

4、显然，当转子绕组与有缺陷的定子绕组正交时，在后者中不会感应出电压，因此无法检测到缺陷。当转子旋转到正交取向之外时，在完好的定子绕组中感应出的交流电压的幅度将与错位角的余弦成正比减小，而在有缺陷的绕组中，交流电压的幅度不会增加。如果将用于故障检测的阈值设置为上述和的标称值的95％，则在有缺陷的绕组中感应出的电压被完全分流的情况下，转子必须旋转θ＝12.9°才能检测到故障。实际上，由于制造公差、温度影响等原因，更大的阈值可能是必要的。如果将故障阈值设置为80％，则在检测到旋转变压器失灵之前，由旋转变压器做出的位置检测可能会出现高达θ＝±36.9°的误差。

5、如果感应电压未被完全分流(即，如果绝缘层具有非零的残余电阻)，则在检测到失灵之前旋转变压器可以旋转的角度可以仍然是更大的。因此，当绝缘层逐渐磨损时，缺陷可能一开始完全不会被注意到，仅仅导致机器人运动的准确度损失，且因此导致产品质量降低。

6、因此，特别是在协作机器人应用中，需要一种旋转变压器和一种旋转变压器操作方法，通过其，可以在早期阶段检测到这种退化。

技术实现思路

1、根据本发明的一个方面，通过一种用于操作旋转变压器的方法满足了这一需求，该旋转变压器包括至少一个定子绕组和至少一个转子绕组，该转子绕组能够相对于至少一个定子绕组旋转并且与定子绕组电感耦合，其中该方法的监视阶段包括以下步骤：

2、a)用交流电流来激励该转子绕组；

3、b)通过对电压进行采样来得出第一采样电压值，该电压是在激励电流的预定第一相位处由流过转子绕组的交流电流在至少一个定子绕组中感应出的；

4、c)如果第一采样电压值与感应电压的dc分量有显著偏差，则判定旋转变压器是有缺陷的。当最初选择预定的第一相位时，对于完好的旋转变压器，在该相位处获取的感应电压的样本等于dc分量，在定子绕组中感应出的电压的任何后续相移都将导致样本变得不同于该dc分量。由于该判定可以仅基于在所讨论的绕组处进行的测量，因此相比于上面讨论的监视在不同绕组中感应出的电压的毕达哥拉斯和的传统情况，可以实现更高的灵敏度。

5、当没有偏置电路系统被连接到所述至少一个定子绕组时，dc分量为零，使得甚至可以可靠地检测到第一采样电压值与所述dc分量的微小偏差。

6、当在步骤b)中，从在交流电流的若干循环的第一相位处获取的感应电压的样本得出采样电压值时，可以降低噪声的影响，特别是通过低通滤波。

7、该方法对外部干扰(诸如由旋转变压器外部的磁场感应造成的干扰)的灵敏度，可以实时地测量dc分量，同时在上面提及的激励电流的第一相位处进行采样。

8、这样做的优选方式是通过在激励电流的第二相位和第三相位处对至少一个定子绕组中感应出的所述电压进行采样，以便得出第二采样电压值和第三采样电压值，其中所述第一相位与第二相位之间的差值等于所述第三相位与所述第一相位之间的差值。只要第一相位在dc分量电平上与感应电压重合，第二采样电压与dc分量电平之间之间的差值应该具有相同的量，只不过其符号与第三采样电压与dc分量电平之间的差值的符号不同；换句话说，第二采样电压值和第三采样电压值的平均值应该与dc分量电平相同；如果不是，则感应电压的相位一定发生了变化，并且必定得出绕组有缺陷的结论。

9、当所述第一与第二(或第三与第一)相位之间的差值为π/2弧度时，得以实现相位变化的最大灵敏度。在简单的实施例中，通过在第一采样电压值与dc分量之间的差值超过预定电压阈值时判断有显著偏差，可以直接评估采样电压。

10、当获得第二或第三采样电压值时，可以从所述第一和第二或第一和第三采样电压值得出感应电压(us、uc)相对于激励电流的相移，并且当所述得出的相移与所述第一相位相差超过预定相位阈值时，可以判定第一采样电压值与dc分量有显著偏差。

11、可以假设前面提及的第一相位是取决于旋转变压器的设计，并且对于设计相同的所有旋转变压器来说具有相同的值。在这种情况下，可以通过计算或测量原型旋转变压器一劳永逸地确定第一相位。为了考虑旋转变压器的制造公差以及对其操作环境的影响，最好对每个旋转变压器都单独测量第一相位，然后将测量结果设置为预定相位。通过以下方式可以将两种方法结合起来：对每个旋转变压器单独测量第一相位，将结果与预期值进行比较，仅当结果在预期值附近的给定公差范围内时才将测量结果设置为预定相位，否则以有缺陷为由而拒绝旋转变压器。

12、根据本发明的优选实施例，这在方法的初始化阶段中完成，该初始化阶段包括以下步骤：

13、a’)用交流电流(ir)来激励转子绕组，

14、b’)设置采样相位，

15、c’)在所述采样相位处，对由流过转子绕组(15)的交流电流在至少一个定子绕组中感应出的电压进行采样，以便得出初始化采样电压值，以及，

16、d’)如果第一采样电压值与感应电压的dc分量有显著偏差，则改变该采样相位并重复步骤c’)。

17、可以完全任意地在步骤b’中设置采样相位，无需事先了解在对其应用了该方法的旋转变压器中激励电流和感应电压之间的实际相移。

18、可以通过以下步骤快速有效地找到特定旋转变压器的实际相移：

19、e’)在不同于第一相位的第二相位处对在至少一个定子绕组中感应出的电压进行采样，以便得出第二采样电压值，

20、f’)从所述第一和第二采样电压值中得出感应电压相对于激励电流的相移，以及

21、g’)使采样相位改变在步骤f’)中得出的相移。

22、根据第二方面，本发明提供了一种旋转变压器控制器，包括用于向旋转变压器的转子绕组提供交流电流的电源，以及处理器，该处理器适于：

23、通过对电压进行采样来得出第一采样值，该电压是在激励电流的预定第一相位处由流过转子的交流电流在至少一个定子绕组中感应出的；并且

24、如果第一采样电压值与感应电压的dc分量有显著偏差，则判定该旋转变压器是有缺陷的。

25、相同的控制器可以包括计算部件，该计算部件用于根据从所述定子绕组采样的电压推断出旋转变压器的角度位置。

26、根据另一方面，本发明提供了一种旋转变压器组件，包括如上所定义的旋转变压器控制器和相关联的旋转变压器。

27、这种组件还可以包括具有与旋转变压器相关联关节的关节机器人臂。

28、根据另一方面，本发明可以被实现在计算机可读存储介质中，该存储介质上存储有多个指令，当由处理器执行时，这些指令使该处理器：

29、通过对电压进行采样而得出第一采样值，该电压是在激励电流的预定第一相位处由流过转子的交流电流在至少一个定子绕组中感应出的；并且

30、如果第一采样电压值与感应电压的dc分量有显著偏差，则判定该旋转变压器是有缺陷的。