王昱峰 張新磊 高 揚(yáng) 張 功

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

轉(zhuǎn)臺(tái)作為慣性器件和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的常用測(cè)試和標(biāo)定設(shè)備，其測(cè)角系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度指標(biāo)愈來愈受到關(guān)注，而提高轉(zhuǎn)臺(tái)速率軸角位置測(cè)量精度是提高動(dòng)態(tài)測(cè)角精度的基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)臺(tái)速率軸的周脈沖一般是由角位置傳感器的零位脈沖產(chǎn)生，其周脈沖定位精度即是轉(zhuǎn)臺(tái)速率軸相鄰兩次零位脈沖上升沿的測(cè)角精度，周脈沖定位精度的高低直接反映了轉(zhuǎn)臺(tái)速率軸旋轉(zhuǎn)過程中某一位置兩次脈沖采樣時(shí)的角位置測(cè)量值誤差，這其實(shí)是一個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)角的概念。倪國芬[1]和徐鳳霞[2]等人提出了一種以感應(yīng)同步器為位置反饋元件的高精度動(dòng)態(tài)測(cè)角系統(tǒng)，由于其位置反饋元件的限制，其方法只適用于感應(yīng)同步器，對(duì)常用的角度編碼器諸如海德漢和雷尼紹生產(chǎn)的光柵碼盤并不適用。

本文提出了一種基于IK220板卡實(shí)時(shí)鎖存的動(dòng)態(tài)測(cè)角方法，采用海德漢公司生產(chǎn)的IK220板卡來實(shí)時(shí)鎖存轉(zhuǎn)臺(tái)速率軸位置傳感器的周脈沖位置數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)鎖存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到了轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸的動(dòng)態(tài)測(cè)角精度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，此方法能夠滿足中低速轉(zhuǎn)臺(tái)的中低動(dòng)態(tài)測(cè)角精度的要求，并且使用方便、簡單。

2 轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)態(tài)測(cè)角的工作原理

對(duì)于目前的轉(zhuǎn)臺(tái)來說，獲得一個(gè)準(zhǔn)確的靜止位置已具有較成熟的技術(shù)。

其基本原理如下：將高精度的位置傳感器在t0時(shí)刻獲得的模擬正弦信號(hào)，通過濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路處理和數(shù)據(jù)的傳輸，在t1時(shí)刻得到模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢的位置值，如果轉(zhuǎn)臺(tái)處于靜止或者低速狀態(tài)，獲得數(shù)字量位置值的時(shí)刻t1的實(shí)際位置與采集模擬信號(hào)時(shí)刻t0的位置值近似一致，那么，這個(gè)位置值就是測(cè)量所獲得的靜止位置。

但是，對(duì)于以速度v轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)來說，電路中存在模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，兩者之和為

(1)

所以，運(yùn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)臺(tái)在t0時(shí)刻和t1時(shí)刻的位置是不一樣的，其差值為

(2)

動(dòng)態(tài)測(cè)角本質(zhì)上就是對(duì)運(yùn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)臺(tái)獲得一個(gè)實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確角位置值。在這個(gè)誤差產(chǎn)生的過程中，由于延時(shí)時(shí)間很短，故可以認(rèn)為速率是不變的，不確定的是電路中存在的模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，顯然，隨著轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸速率的不斷增大，誤差會(huì)逐漸增加。為了獲得準(zhǔn)確的角度值，就必須減少電路中的模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，提高板卡的開關(guān)頻率，從而減少誤差，提高轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)角系統(tǒng)的精度。對(duì)用戶而言，直接反映了被測(cè)產(chǎn)品的測(cè)量準(zhǔn)確性[3]。

3 IK220板卡的測(cè)量原理

IK220板卡是PCI總線形式計(jì)數(shù)卡，可以匹配指定輸出信號(hào)類型光柵、磁柵、容柵類角度或直線編碼器。安裝在所有帶PCI插槽的計(jì)算機(jī)內(nèi)，其支持ENDAT、SSI、1Vpp和11μApp共4種信號(hào)形式的編碼器，具有兩個(gè)編碼器接口，其細(xì)分倍數(shù)為4096，測(cè)量計(jì)數(shù)值為44位，由12位柵距內(nèi)細(xì)分值和32位整柵距計(jì)數(shù)值組合而成[3]。IK220板卡內(nèi)有兩個(gè)CPU，CPU在裝載固件后，處理周期可達(dá)25μs。IK220板卡的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。兩路編碼器(X1、X2)的位置信息可以實(shí)時(shí)保存在計(jì)算機(jī)里，利用軟件對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的處理[4]。

IK220板卡測(cè)量值的調(diào)用和鎖存是通過外部鎖存輸入或距離編碼參考信號(hào)(即編碼器的零位信號(hào))的轉(zhuǎn)換得到。對(duì)于編碼器的輸入信號(hào)為1Vpp的情況下，最大的輸入頻率為500kHz，因此采用編碼器自身零位脈沖觸發(fā)來讀取細(xì)分卡中鎖存的位置值時(shí)，總是上一個(gè)時(shí)刻刷新的角度值。且采樣脈沖落在2μs之間的任意時(shí)刻，由于讀取指令和細(xì)分卡采樣指令不能同步，時(shí)間的插值Δt在(0～2)μs之間不定，因此產(chǎn)生了由于速率的引入造成的動(dòng)態(tài)測(cè)角誤差。如果速率軸以100°/s運(yùn)動(dòng)，獲得數(shù)字位置值時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)已經(jīng)在該位置基礎(chǔ)上又移動(dòng)了0″～0.72″，針對(duì)一些需要高準(zhǔn)確度動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的慣導(dǎo)產(chǎn)品來說，這個(gè)誤差是不能忽略的。而對(duì)中低速轉(zhuǎn)臺(tái)的中低測(cè)角精度是可以接受的。圖1中的X1、X2為測(cè)量值的輸入通道，X11、X21通道為外部鎖存輸入或距離編碼參考信號(hào)輸入通道。

圖1 IK220板卡的系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the IK220

圖2 為IK220板卡外部鎖存信號(hào)的連接線路圖，X1或X2通道實(shí)時(shí)的采集當(dāng)前角位置傳感器的位置信號(hào)，X11或X21一端接板卡上的X8或X9，另一端接角位置傳感器的零位脈沖信號(hào)，通過檢測(cè)零位脈沖的上升沿變化，即可通過X1或X2得到當(dāng)前角位置的鎖存值，通過利用IK220板卡的庫函數(shù)對(duì)其內(nèi)部的寄存器進(jìn)行操作，即可得到零位脈沖上升沿變化時(shí)角位置傳感器的鎖存值。

4 動(dòng)態(tài)測(cè)角系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

4.1 動(dòng)態(tài)測(cè)角系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

為了測(cè)試的便利性，我們直接采用碼盤自身的零位標(biāo)志，鑒于計(jì)算機(jī)需要采集碼盤信號(hào)，動(dòng)態(tài)測(cè)角系統(tǒng)也要采集碼盤信號(hào)，兩者之間產(chǎn)生了沖突，為了解決這一問題，自研了一個(gè)簡易的碼盤分配器，用于把碼盤輸出的信號(hào)一分為二，分別用于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理和周脈沖的零位信號(hào)，具體的連接線路如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)測(cè)角系統(tǒng)的連接示意圖Fig.3 Connect diagram of dynamic goniometry

以增量式的英國雷尼紹RESR115碼盤為例，圖3中的機(jī)械臺(tái)體碼盤端輸出碼盤的原始信號(hào)，由碼盤分配器的A1引腳輸入，在內(nèi)部一分為二，分別送入A2和A3，然后IK220板卡的X1和X11引腳分別采集A2和A3的信號(hào)，由于X11只需要一個(gè)電平觸發(fā)，所以不需要全部的信號(hào)都引入，只引入了碼盤信號(hào)中的C+和GND信號(hào)。把此信號(hào)接入到圖2中IK220卡的X11或X21外部鎖 存端，即可觸發(fā)IK220板卡(低電平觸發(fā))進(jìn)行旋轉(zhuǎn)軸位置信息的鎖存。

4.2 動(dòng)態(tài)測(cè)角系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述測(cè)試原理和方法，編寫了一款用于測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)速率軸動(dòng)態(tài)測(cè)角精度的測(cè)試軟件。軟件測(cè)試程序的流程圖如圖4所示。

圖4 測(cè)試程序流程圖Fig.4 Flow diagram of test procedure

測(cè)試計(jì)算機(jī)里安裝有一塊IK220的板卡和板卡驅(qū)動(dòng)的前提下，根據(jù)圖3的連接示意圖連接相關(guān)的線纜后，在VC6.0軟件的編譯環(huán)境里，首先建立一個(gè)空的對(duì)話框工程，加載IK220卡的動(dòng)態(tài)鏈接庫，然后，在初始化函數(shù)里對(duì)IK220板卡進(jìn)行初始化設(shè)置，包括編碼器接口類型、信號(hào)類型、鎖存通道等等，利用IK220板卡動(dòng)態(tài)鏈接庫里的相應(yīng)函數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試軸的周脈沖信號(hào)進(jìn)行鎖存處理，并以列表的方式顯示在對(duì)話框界面上，方便測(cè)試人員對(duì)其精度進(jìn)行比較和計(jì)算。

最終的測(cè)試程序界面如圖5所示，轉(zhuǎn)臺(tái)速率軸以某一速率旋轉(zhuǎn)，待轉(zhuǎn)速平穩(wěn)后，打開測(cè)試軟件，在界面的右側(cè)設(shè)置角位置傳感器的線數(shù)，點(diǎn)擊右下角的“開始”按鈕，在左側(cè)的列表框內(nèi)就會(huì)實(shí)時(shí)的顯示IK220板卡的鎖存值。點(diǎn)擊“停止并保存數(shù)據(jù)”按鈕，鎖存數(shù)據(jù)就會(huì)被保存到約定的某一路徑之下，供測(cè)試人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。表1為轉(zhuǎn)臺(tái)速率軸以不同速率旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)速率軸相鄰兩次零位脈沖對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)角系統(tǒng)觸發(fā)所得角度差值的絕對(duì)值。

圖5 轉(zhuǎn)臺(tái)速率軸動(dòng)態(tài)測(cè)角系統(tǒng)的測(cè)試程序界面Fig.5 Test procedure interface of dynamic goniometry which on velocity axis of turntable

序號(hào)速率點(diǎn)(°/s) 1234567最大值最小值平均值10.5040.4320.1080.4680.0360.6120.2880.6120.1080.350-10.2160.2160.2160.180.0720.2880.1440.2880.0720.190100.3960.2520.6120.3240.2160.1080.720.720.1080.375-100.7920.2880.2160.1080.14400.0360.79200.2261000.5760.7561.441.5840.8280.6120.9721.5840.5760.967-1000.0362.0521.621.1160.7920.541.8722.0520.0361.147300 0.6480.2160.5760.6840.6480.720.3960.720.2160.555-300 01.0080.2880.540.0360.180.1440.5400.314500 1.2960.8280.2520.541.1160.361.4761.2960.360.838-500 0.4320.7920.720.180.4321.2240.721.2240.720.643

表1的測(cè)試數(shù)據(jù)是在轉(zhuǎn)臺(tái)速率平穩(wěn)時(shí)測(cè)得的，可以反映此速率點(diǎn)下的真實(shí)情況。從表1可以看出，隨著轉(zhuǎn)臺(tái)速率的不斷增大，相鄰兩次零位脈沖觸發(fā)所得角度差值的絕對(duì)值總體上也呈增大趨勢(shì)。也就是說，隨著轉(zhuǎn)臺(tái)速率的增加，轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)測(cè)角精度逐漸變差。

為了說明此方法的有效性，根據(jù)GJB1801-1993中的角速率試驗(yàn)方法，給出了用傳統(tǒng)的霍爾加磁鋼的方法，測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)在不同速率點(diǎn)下相鄰兩次脈沖觸發(fā)所得角度差值的絕對(duì)值，如表2所示。

從表2中可以看出，隨著轉(zhuǎn)臺(tái)速率的增加，轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)測(cè)角精度逐漸變差，與表1中測(cè)試數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)一致。針對(duì)同一個(gè)測(cè)試速率點(diǎn)，表2中正反轉(zhuǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)的離散程度較大，且動(dòng)態(tài)測(cè)角精度較差。這主要是由于磁鋼的感應(yīng)面較大所致，而光電碼盤的零位僅是一個(gè)微小的刻線。

因此，與傳統(tǒng)的霍爾加磁鋼的方式相比，基于IK220卡的動(dòng)態(tài)測(cè)角系統(tǒng)的測(cè)試精度更高，為了進(jìn)一步消除離散誤差，建議多次測(cè)試，取得測(cè)試結(jié)果的平均值。

5 結(jié)束語

詳細(xì)地介紹了一種新的動(dòng)態(tài)測(cè)角方法，并對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)速率軸的動(dòng)態(tài)測(cè)角性能進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，在用戶對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸的動(dòng)態(tài)測(cè)角精度要求較高的前提下，基于IK220板卡的轉(zhuǎn)臺(tái)速率軸動(dòng)態(tài)測(cè)角精度的測(cè)量方法科學(xué)有效，測(cè)試軟件簡單易用，具有很好的實(shí)用價(jià)值。