王 飛,付 晶,朱 鈺,韓昌佩

(1.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所,上海 200083;2.中國(guó)科學(xué)院紅外探測(cè)與成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200083)

在高精度的角度測(cè)量系統(tǒng)中,常用到光柵編碼器和感應(yīng)同步器,光柵編碼器具有測(cè)量精度高的特點(diǎn),但是,由于光柵盤(pán)一般使用玻璃作的,在相對(duì)惡劣的環(huán)境下會(huì)影響測(cè)角的性能和可靠性,感應(yīng)同步器是一種電磁傳感元件,利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行角度測(cè)量,可以將角位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),由于多極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),對(duì)誤差有平均效應(yīng),起到了補(bǔ)償?shù)淖饔?因此,感應(yīng)同步器具有很高的精度,被廣泛應(yīng)用在航空、航天等軍事領(lǐng)域[1-6]。對(duì)于感應(yīng)同步器的研究,從測(cè)角精度考慮,目前主要圍繞感應(yīng)同步器測(cè)角系統(tǒng)誤差分析和誤差補(bǔ)償展開(kāi)[10-14],從測(cè)角連續(xù)性考慮,很少有文章進(jìn)行研究。在實(shí)際測(cè)角系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,通過(guò)電子學(xué)配合機(jī)械進(jìn)行感應(yīng)同步器裝配,設(shè)計(jì)高質(zhì)量的信號(hào)處理電路來(lái)補(bǔ)償感應(yīng)同步器自身的設(shè)計(jì)誤差,可以實(shí)現(xiàn)顯著減小測(cè)角誤差的目的,在不通過(guò)軟件進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)那闆r下,測(cè)角精度仍然可以達(dá)到±1″。絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器粗精數(shù)據(jù)融合不會(huì)減小測(cè)角誤差,不會(huì)提高測(cè)角精度,但是,如果數(shù)據(jù)融合做不好,會(huì)影響角度的連續(xù)性,使得角度值出現(xiàn)固定角度大小的跳躍,跳躍間隔為精通道測(cè)量周期的±1倍[1],對(duì)測(cè)角精度造成間接影響。

絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器將粗通道和精通道集成在一個(gè)盤(pán)子上,并且,粗通道和精通道是相互獨(dú)立的,精通道的精度可以達(dá)到角秒級(jí),粗通道的精度一般在角分級(jí)別。絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器應(yīng)用在大角度測(cè)角系統(tǒng)中時(shí),精通道可以保證測(cè)量精度,但是無(wú)法定位當(dāng)前準(zhǔn)確的機(jī)械角度,粗通道可以定位當(dāng)前的大致機(jī)械角度,但是測(cè)量誤差太大,因此,需要對(duì)粗通道和精通道進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,實(shí)現(xiàn)測(cè)角系統(tǒng)絕對(duì)角度的獲取。

本文提出了一種基于絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器的數(shù)據(jù)融合方法,不同于只利用糾錯(cuò)表進(jìn)行融合,或者利用滑動(dòng)區(qū)間判定法糾錯(cuò)的方法[1],該方法增加了對(duì)粗通道數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)沫h(huán)節(jié)。文中介紹了絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器的工作方式,重點(diǎn)介紹了粗通道的數(shù)據(jù)補(bǔ)償和精通道的周期修正,最后,通過(guò)試驗(yàn)對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明:采用該套數(shù)據(jù)融合算法,轉(zhuǎn)動(dòng)感應(yīng)同步器,位置數(shù)據(jù)是連續(xù)無(wú)跳點(diǎn)的,并且,該數(shù)據(jù)融合方法可以有效的改善由于溫度變化導(dǎo)致的融合失敗,達(dá)到了預(yù)期效果,顯著的提高了測(cè)角系統(tǒng)性能。

圖2 數(shù)據(jù)融合流程圖

1 絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器工作方式

絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器,由精通道和粗通道組成,粗通道有1對(duì)極,可以對(duì)360°周期進(jìn)行測(cè)量,精通道為多對(duì)極的結(jié)構(gòu)方式,用來(lái)保證感應(yīng)同步器的測(cè)角精度,粗通道采用螺旋繞組的結(jié)構(gòu)形式,精通道采用多極結(jié)構(gòu)繞組,粗通道對(duì)溫度敏感性更高。感應(yīng)同步器工作的時(shí)候需要外界提供激磁信號(hào),激磁的方式有雙相激磁和單相激磁,激磁信號(hào)可以為方波信號(hào)、正弦波信號(hào),感應(yīng)同步器在激磁信號(hào)的作用下,會(huì)在定子繞組上感應(yīng)出交變的電動(dòng)勢(shì),雖然輸出的電動(dòng)勢(shì)中反映了機(jī)械轉(zhuǎn)角,但為了能夠檢出電勢(shì)中所包含的角度信息,還需要對(duì)輸出電勢(shì)進(jìn)行處理,采用的檢測(cè)形式有鑒幅檢測(cè)和鑒相檢測(cè),配合兩種激磁方式,感應(yīng)同步器的基本工作方式有4種[7-12],本系統(tǒng)采用單相激磁鑒幅檢測(cè)的方式。

絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器工作時(shí),粗通道和精通道獨(dú)立運(yùn)行,與一般的感應(yīng)同步器工作原理相同,輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路處理,再經(jīng)過(guò)軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換后,需要配備數(shù)據(jù)融合單元來(lái)完成對(duì)絕對(duì)角度的編碼工作。本文采用的絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器為常州維能達(dá)精機(jī)有限公司研制的JX175/360-WND型,其速比為1∶180,圖1所示為絕對(duì)角度測(cè)量方法框圖。

圖1 絕對(duì)角度測(cè)量方法框圖

2 粗精數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)

①數(shù)據(jù)融合的意義

絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器經(jīng)過(guò)軸角轉(zhuǎn)換后只能得到粗通道和精通道各自獨(dú)立的角度值,需要通過(guò)粗精數(shù)據(jù)融合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)到絕對(duì)角度的轉(zhuǎn)換。

②數(shù)據(jù)融合的原理

利用誤差較大的粗通道數(shù)據(jù)定位精通道當(dāng)前角度所處的機(jī)械周期數(shù),然后再根據(jù)精度較高的精通道數(shù)據(jù)定位當(dāng)前角度的精確位置。

絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器的絕對(duì)角度計(jì)算數(shù)學(xué)模型為

(1)

(2)

式中:T為精通道所處位置的機(jī)械周期數(shù),θ機(jī)為絕對(duì)角度,θC為粗通道的原始角度,θF為精通道的原始角度,[ ]表示取整運(yùn)算。

2.1 數(shù)據(jù)融合流程

絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器數(shù)據(jù)融合分兩步完成,對(duì)粗通道的角度進(jìn)行補(bǔ)償和對(duì)精通道的周期數(shù)進(jìn)行修正,圖2為數(shù)據(jù)融合流程圖。

測(cè)角系統(tǒng)接收到上位機(jī)的使能信號(hào)觸發(fā)后,獲取軸角轉(zhuǎn)換器的16 bit精通道數(shù)據(jù)(Data_F)和16 bit粗通道數(shù)據(jù)(Data_C),然后,將粗通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù),依次對(duì)粗通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移量調(diào)整和粗精零位偏差補(bǔ)償,得到的X補(bǔ)償中k_adjust和b_adjust都放大了210倍,最后,再將補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)縮小至1 024分之一后,轉(zhuǎn)換為16 bit的二進(jìn)制數(shù)(Data_C_adj),完成對(duì)粗通道的數(shù)據(jù)補(bǔ)償。

將補(bǔ)償后的粗通道數(shù)據(jù)乘以180,得到初始融合角度(Comdata),此時(shí),粗通道和精通道每一個(gè)碼字代表的物理角度是一致的,然后,判斷Comdata(15downto12)和Data_F(15downto12)值的大小,根據(jù)判斷結(jié)果,對(duì)Comdata的高8 bit進(jìn)行+1或者-1修正,完成精通道的周期修正,最后,用精通道的數(shù)據(jù)替換Comdata的低16 bit,完成數(shù)據(jù)融合。

2.2 粗通道角度補(bǔ)償

在絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器構(gòu)成的測(cè)角系統(tǒng)中會(huì)存在著系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差,在不同的應(yīng)用環(huán)境下,還存在著精通道角度和粗通道角度的漂移。為了降低誤差對(duì)數(shù)據(jù)融合可靠性的影響,需要對(duì)采集到的粗通道數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。

對(duì)于速比為1∶180的絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器,精通道有180個(gè)電周期,每個(gè)電周期表示的機(jī)械角度為2°,精通道存在180個(gè)零位點(diǎn),粗通道有1個(gè)電周期,表示的機(jī)械角度為360°。當(dāng)精通道為零位點(diǎn)的時(shí)候粗通道對(duì)應(yīng)的位置為理論粗通道零位點(diǎn),同樣存在180個(gè),并且,這180個(gè)理論粗通道零位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度值為360/180×n(n=0,1,…,179),由于誤差的存在,當(dāng)精通道為零位點(diǎn)的時(shí)候,粗通道的實(shí)際角度值為360/180×n±M(n=0,1,…,179,M為偏離值),并不等于理論粗通道零位值。對(duì)粗通道數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)際是盡可能的減小M值。

圖3 精通道和粗通道原始數(shù)據(jù)

首先,獲取絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器的精通道和粗通道原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器一周得到,圖3為采集到的精通道和粗通道的原始數(shù)據(jù),其中,DataFine為精通道的原始數(shù)據(jù),有180個(gè)周期,DataCoarse為粗通道的原始數(shù)據(jù),為1個(gè)周期。

然后,計(jì)算粗通道的理論粗通道零位值和實(shí)際粗通道零位值的偏差,得到M值,如圖4所示,為粗通道的理論零位和實(shí)際零位偏差,總共有180個(gè)零位點(diǎn)。

圖4 粗通道的理論零位和實(shí)際零位偏差

最后,根據(jù)零位偏差碼字大小進(jìn)行偏移量調(diào)整,根據(jù)零位偏差曲線形式進(jìn)行分段,如圖5,完成了偏移量調(diào)整和分段點(diǎn)的確定。偏差曲線上只給出了粗通道的零位點(diǎn)序號(hào),每個(gè)零位點(diǎn)反映了粗通道當(dāng)前的角度值,相鄰兩個(gè)分段點(diǎn)作為一個(gè)分段,在該區(qū)間內(nèi)的粗通道數(shù)據(jù)采用同一個(gè)函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償,圖6為補(bǔ)償后得到的理論粗通道零位和實(shí)際粗通道零位偏差。

圖5 調(diào)整偏移量后的粗通道的理論零位和實(shí)際零位偏差

圖6 補(bǔ)償后的粗通道的理論零位和實(shí)際零位偏差

本設(shè)計(jì)對(duì)M值進(jìn)行了約束,超過(guò)約束值后(設(shè)計(jì)值為0.875°),會(huì)出現(xiàn)周期定位錯(cuò)誤的情況,那么,融合后的角度值也會(huì)出現(xiàn)2°跳躍。由圖6知,補(bǔ)償后的粗精零位偏差小于25個(gè)碼字,由于粗通道的角度是進(jìn)行的16 bit軸角轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換為模擬量為

(3)

因此,經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后零位偏差<0.137°,系統(tǒng)擁有更高的可靠性。

借助MATLAB完成粗通道的偏移量和數(shù)據(jù)補(bǔ)償函數(shù)確定,得到的偏移量和補(bǔ)償函數(shù)可以直接寫(xiě)到數(shù)據(jù)融合程序里。下面是該系統(tǒng)采用的粗精零位偏差分段補(bǔ)償函數(shù),其中,X粗為調(diào)整偏移量后的粗通道數(shù)據(jù),X補(bǔ)償為補(bǔ)償后的粗通道數(shù)據(jù)。

when 0 to 4365=>X補(bǔ)償<=1016×X粗+33468;when 4366 to 13409=>X補(bǔ)償<=1031×X粗-30597;when 13410 to 21528=>X補(bǔ)償<=1007×X粗+298169;when 21529 to 31262=>X補(bǔ)償<=1035×X粗-299973;when 31263 to 37153=>X補(bǔ)償<=1013×X粗+404147;when 37154 to 53216=>X補(bǔ)償<=1021×X粗+112649;when 53217 to 63655=>X補(bǔ)償<=1037×X粗-790588;when 63656 to 65125=>X補(bǔ)償<=1014×X粗+689245;when 65126 to 65535=>X補(bǔ)償<=1024×X粗+0;

2.3 精通道周期修正

雖然經(jīng)過(guò)修正后的理論粗通道零位和實(shí)際粗通道零位偏差<0.137°,但是仍然是存在偏差的,粗精數(shù)據(jù)融合算法需要對(duì)由粗通道計(jì)算出來(lái)的精通道當(dāng)前測(cè)量周期數(shù)進(jìn)行修正,記修正量為C,首先看一下周期修正示意圖。

圖7 周期修正示意圖1

圖8 周期修正示意圖2

精通道的周期修正需要分兩步完成,由于粗通道用216碼字表示360°機(jī)械角度,精通道用216碼字表示2°機(jī)械角度,精通道1LSB表示0.11″,粗通道1LSB表示0.33＇,粗通道和精通道1LSB表示的機(jī)械角度比值為

(4)

在進(jìn)行精通道周期數(shù)修正前,第1步需要對(duì)補(bǔ)償后的粗通道角度值乘以180,使得粗通道1LSB表示的機(jī)械角度與精通道一致。第2步判斷周期數(shù)是否需要進(jìn)行調(diào)整,下面給出判斷的條件。

①如果Comdata(15 downto 12)-Data_F(15 downto 12)>”0111”,那么,Comdata(23 downto 16)<=Comdata(23 downto 16)+'1';

②如果Data_F(15 downto 12)-Comdata(15 downto 12)>”0111”,那么,Comdata(23 downto 16)<=Comdata(23 downto 16)-'1';

其中,Comdata為補(bǔ)償后的粗通道角度值乘以180,Data_F為精通道的角度值。

如果計(jì)算的結(jié)果不滿足上面兩種條件的話,表明當(dāng)前位置的精通道周期數(shù)是判斷正確的,不需要進(jìn)行修正。

數(shù)據(jù)融合后數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為24 bits,其中,高8 bits指示當(dāng)前精通道所處位置的周期數(shù),低16 bits為精通道的原始數(shù)據(jù),反映了在當(dāng)前2°機(jī)械周期內(nèi)位置信息的絕對(duì)值。

3 試驗(yàn)結(jié)果

將粗精數(shù)據(jù)融合程序燒寫(xiě)到FPGA中,通過(guò)手轉(zhuǎn)動(dòng)的方式緩緩地轉(zhuǎn)動(dòng)絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器,同時(shí),FPGA將融合數(shù)據(jù)通過(guò)串口實(shí)時(shí)的發(fā)送給PC機(jī),如圖9所示,為絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器數(shù)據(jù)融合后的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

圖9 融合后角度動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖9中,給出的是數(shù)據(jù)融合后的動(dòng)態(tài)角位置信息和數(shù)據(jù)融合后的角速度信息,兩組數(shù)據(jù)曲線的橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù),縱坐標(biāo)為碼字。從角位置曲線中可以看出,數(shù)據(jù)是連續(xù)無(wú)跳點(diǎn)的,沒(méi)有出現(xiàn)2°臺(tái)階式跳躍,表明設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)融合算法是有效的。

將感應(yīng)同步器置于真空罐內(nèi),控制環(huán)境溫度為-10°,0°和45°,并控制絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器進(jìn)行小范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng),采集絕對(duì)式圓感應(yīng)同步器的融合后的數(shù)據(jù)和粗通道的原始數(shù)據(jù),然后,從融合后的數(shù)據(jù)中提取精通道的原始數(shù)據(jù),可以得到不同溫度環(huán)境下的粗精零位偏差。

圖11 不同溫度環(huán)境下的融合數(shù)據(jù)

圖10為不同溫度環(huán)境下得到的粗精零位偏差,粗通道角度受溫度影響比較大,圖11為對(duì)應(yīng)的融合數(shù)據(jù),即使粗通道角度發(fā)生了很大的漂移,但是粗精零位偏差曲線形狀沒(méi)有改變,對(duì)粗通道數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償可以減小最大粗精零位偏差值,從而實(shí)現(xiàn)融合后的數(shù)據(jù)是連續(xù)的,表明設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)融合算法可以適應(yīng)一定惡劣的環(huán)境,當(dāng)工作在小范圍溫度變化的環(huán)境下時(shí),擁有更高的可靠性,測(cè)角系統(tǒng)更穩(wěn)定。

圖10 不同溫度環(huán)境下的粗精零位偏差

4 結(jié)論

本文研究了絕對(duì)式圓型感應(yīng)同步器的粗精數(shù)據(jù)融合設(shè)計(jì)要點(diǎn),重點(diǎn)介紹了粗通道角度補(bǔ)償和精通道周期修正過(guò)程,最后對(duì)粗精數(shù)據(jù)融合算法的有效性、可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明:采用該數(shù)據(jù)融合算法可以實(shí)現(xiàn)粗精獨(dú)立角度值到絕對(duì)角度值的轉(zhuǎn)換,增大了由于外界因素導(dǎo)致融合失敗的余量,提高了測(cè)角系統(tǒng)無(wú)故障工作的可靠性。

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