绝对式圆感应同步器粗精数据融合

王 飞,付 晶,朱 钰,韩昌佩

(1.中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083;2.中国科学院红外探测与成像技术重点实验室,上海 200083)

在高精度的角度测量系统中,常用到光栅编码器和感应同步器,光栅编码器具有测量精度高的特点,但是,由于光栅盘一般使用玻璃作的,在相对恶劣的环境下会影响测角的性能和可靠性,感应同步器是一种电磁传感元件,利用电磁感应原理进行角度测量,可以将角位移信号转换成电压信号,由于多极结构的设计,对误差有平均效应,起到了补偿的作用,因此,感应同步器具有很高的精度,被广泛应用在航空、航天等军事领域[1-6]。对于感应同步器的研究,从测角精度考虑,目前主要围绕感应同步器测角系统误差分析和误差补偿展开[10-14],从测角连续性考虑,很少有文章进行研究。在实际测角系统设计中,通过电子学配合机械进行感应同步器装配,设计高质量的信号处理电路来补偿感应同步器自身的设计误差,可以实现显著减小测角误差的目的,在不通过软件进行误差补偿的情况下,测角精度仍然可以达到±1″。绝对式圆感应同步器粗精数据融合不会减小测角误差,不会提高测角精度,但是,如果数据融合做不好,会影响角度的连续性,使得角度值出现固定角度大小的跳跃,跳跃间隔为精通道测量周期的±1倍[1],对测角精度造成间接影响。

绝对式圆感应同步器将粗通道和精通道集成在一个盘子上,并且,粗通道和精通道是相互独立的,精通道的精度可以达到角秒级,粗通道的精度一般在角分级别。绝对式圆感应同步器应用在大角度测角系统中时,精通道可以保证测量精度,但是无法定位当前准确的机械角度,粗通道可以定位当前的大致机械角度,但是测量误差太大,因此,需要对粗通道和精通道进行数据融合,实现测角系统绝对角度的获取。

本文提出了一种基于绝对式圆感应同步器的数据融合方法,不同于只利用纠错表进行融合,或者利用滑动区间判定法纠错的方法[1],该方法增加了对粗通道数据补偿的环节。文中介绍了绝对式圆感应同步器的工作方式,重点介绍了粗通道的数据补偿和精通道的周期修正,最后,通过试验对程序进行测试。试验结果表明:采用该套数据融合算法,转动感应同步器,位置数据是连续无跳点的,并且,该数据融合方法可以有效的改善由于温度变化导致的融合失败,达到了预期效果,显著的提高了测角系统性能。

图2 数据融合流程图

1 绝对式圆感应同步器工作方式

绝对式圆感应同步器,由精通道和粗通道组成,粗通道有1对极,可以对360°周期进行测量,精通道为多对极的结构方式,用来保证感应同步器的测角精度,粗通道采用螺旋绕组的结构形式,精通道采用多极结构绕组,粗通道对温度敏感性更高。感应同步器工作的时候需要外界提供激磁信号,激磁的方式有双相激磁和单相激磁,激磁信号可以为方波信号、正弦波信号,感应同步器在激磁信号的作用下,会在定子绕组上感应出交变的电动势,虽然输出的电动势中反映了机械转角,但为了能够检出电势中所包含的角度信息,还需要对输出电势进行处理,采用的检测形式有鉴幅检测和鉴相检测,配合两种激磁方式,感应同步器的基本工作方式有4种[7-12],本系统采用单相激磁鉴幅检测的方式。

绝对式圆感应同步器工作时,粗通道和精通道独立运行,与一般的感应同步器工作原理相同,输出信号经过信号调理电路处理,再经过轴角数字转换后,需要配备数据融合单元来完成对绝对角度的编码工作。本文采用的绝对式圆感应同步器为常州维能达精机有限公司研制的JX175/360-WND型,其速比为1∶180,图1所示为绝对角度测量方法框图。

图1 绝对角度测量方法框图

2 粗精数据融合实现

①数据融合的意义

绝对式圆感应同步器经过轴角转换后只能得到粗通道和精通道各自独立的角度值,需要通过粗精数据融合的方式来实现到绝对角度的转换。

②数据融合的原理

利用误差较大的粗通道数据定位精通道当前角度所处的机械周期数,然后再根据精度较高的精通道数据定位当前角度的精确位置。

绝对式圆感应同步器的绝对角度计算数学模型为

(1)

(2)

式中:T为精通道所处位置的机械周期数,θ机为绝对角度,θC为粗通道的原始角度,θF为精通道的原始角度,[ ]表示取整运算。

2.1 数据融合流程

绝对式圆感应同步器数据融合分两步完成,对粗通道的角度进行补偿和对精通道的周期数进行修正,图2为数据融合流程图。

测角系统接收到上位机的使能信号触发后,获取轴角转换器的16 bit精通道数据(Data_F)和16 bit粗通道数据(Data_C),然后,将粗通道的数据转换为实数,依次对粗通道的数据进行偏移量调整和粗精零位偏差补偿,得到的X补偿中k_adjust和b_adjust都放大了210倍,最后,再将补偿后的数据缩小至1 024分之一后,转换为16 bit的二进制数(Data_C_adj),完成对粗通道的数据补偿。

将补偿后的粗通道数据乘以180,得到初始融合角度(Comdata),此时,粗通道和精通道每一个码字代表的物理角度是一致的,然后,判断Comdata(15downto12)和Data_F(15downto12)值的大小,根据判断结果,对Comdata的高8 bit进行+1或者-1修正,完成精通道的周期修正,最后,用精通道的数据替换Comdata的低16 bit,完成数据融合。

2.2 粗通道角度补偿

在绝对式圆感应同步器构成的测角系统中会存在着系统误差和随机误差,在不同的应用环境下,还存在着精通道角度和粗通道角度的漂移。为了降低误差对数据融合可靠性的影响,需要对采集到的粗通道数据进行补偿。

对于速比为1∶180的绝对式圆感应同步器,精通道有180个电周期,每个电周期表示的机械角度为2°,精通道存在180个零位点,粗通道有1个电周期,表示的机械角度为360°。当精通道为零位点的时候粗通道对应的位置为理论粗通道零位点,同样存在180个,并且,这180个理论粗通道零位点对应的角度值为360/180×n(n=0,1,…,179),由于误差的存在,当精通道为零位点的时候,粗通道的实际角度值为360/180×n±M(n=0,1,…,179,M为偏离值),并不等于理论粗通道零位值。对粗通道数据进行补偿,实际是尽可能的减小M值。

图3 精通道和粗通道原始数据

首先,获取绝对式圆感应同步器的精通道和粗通道原始数据。数据采集通过手动转动绝对式圆感应同步器一周得到,图3为采集到的精通道和粗通道的原始数据,其中,DataFine为精通道的原始数据,有180个周期,DataCoarse为粗通道的原始数据,为1个周期。

然后,计算粗通道的理论粗通道零位值和实际粗通道零位值的偏差,得到M值,如图4所示,为粗通道的理论零位和实际零位偏差,总共有180个零位点。

图4 粗通道的理论零位和实际零位偏差

最后,根据零位偏差码字大小进行偏移量调整,根据零位偏差曲线形式进行分段,如图5,完成了偏移量调整和分段点的确定。偏差曲线上只给出了粗通道的零位点序号,每个零位点反映了粗通道当前的角度值,相邻两个分段点作为一个分段,在该区间内的粗通道数据采用同一个函数进行补偿,图6为补偿后得到的理论粗通道零位和实际粗通道零位偏差。

图5 调整偏移量后的粗通道的理论零位和实际零位偏差

图6 补偿后的粗通道的理论零位和实际零位偏差

本设计对M值进行了约束,超过约束值后(设计值为0.875°),会出现周期定位错误的情况,那么,融合后的角度值也会出现2°跳跃。由图6知,补偿后的粗精零位偏差小于25个码字,由于粗通道的角度是进行的16 bit轴角转换,转换为模拟量为

(3)

因此,经过补偿后零位偏差<0.137°,系统拥有更高的可靠性。

借助MATLAB完成粗通道的偏移量和数据补偿函数确定,得到的偏移量和补偿函数可以直接写到数据融合程序里。下面是该系统采用的粗精零位偏差分段补偿函数,其中,X粗为调整偏移量后的粗通道数据,X补偿为补偿后的粗通道数据。

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

2.3 精通道周期修正

虽然经过修正后的理论粗通道零位和实际粗通道零位偏差<0.137°,但是仍然是存在偏差的,粗精数据融合算法需要对由粗通道计算出来的精通道当前测量周期数进行修正,记修正量为C,首先看一下周期修正示意图。

图7 周期修正示意图1

图8 周期修正示意图2

精通道的周期修正需要分两步完成,由于粗通道用216码字表示360°机械角度,精通道用216码字表示2°机械角度,精通道1LSB表示0.11″,粗通道1LSB表示0.33＇,粗通道和精通道1LSB表示的机械角度比值为

(4)

在进行精通道周期数修正前,第1步需要对补偿后的粗通道角度值乘以180,使得粗通道1LSB表示的机械角度与精通道一致。第2步判断周期数是否需要进行调整,下面给出判断的条件。

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为补偿后的粗通道角度值乘以180,Data_F为精通道的角度值。

如果计算的结果不满足上面两种条件的话,表明当前位置的精通道周期数是判断正确的,不需要进行修正。

数据融合后数据长度为24 bits,其中,高8 bits指示当前精通道所处位置的周期数,低16 bits为精通道的原始数据,反映了在当前2°机械周期内位置信息的绝对值。

3 试验结果

将粗精数据融合程序烧写到FPGA中,通过手转动的方式缓缓地转动绝对式圆感应同步器,同时,FPGA将融合数据通过串口实时的发送给PC机,如图9所示,为绝对式圆感应同步器数据融合后的动态数据。

图9 融合后角度动态测试数据

图9中,给出的是数据融合后的动态角位置信息和数据融合后的角速度信息,两组数据曲线的横坐标为采样点数,纵坐标为码字。从角位置曲线中可以看出,数据是连续无跳点的,没有出现2°台阶式跳跃,表明设计的数据融合算法是有效的。

将感应同步器置于真空罐内,控制环境温度为-10°,0°和45°,并控制绝对式圆感应同步器进行小范围内的运动,采集绝对式圆感应同步器的融合后的数据和粗通道的原始数据,然后,从融合后的数据中提取精通道的原始数据,可以得到不同温度环境下的粗精零位偏差。

图11 不同温度环境下的融合数据

图10为不同温度环境下得到的粗精零位偏差,粗通道角度受温度影响比较大,图11为对应的融合数据,即使粗通道角度发生了很大的漂移,但是粗精零位偏差曲线形状没有改变,对粗通道数据进行补偿可以减小最大粗精零位偏差值,从而实现融合后的数据是连续的,表明设计的数据融合算法可以适应一定恶劣的环境,当工作在小范围温度变化的环境下时,拥有更高的可靠性,测角系统更稳定。

图10 不同温度环境下的粗精零位偏差

4 结论

本文研究了绝对式圆型感应同步器的粗精数据融合设计要点,重点介绍了粗通道角度补偿和精通道周期修正过程,最后对粗精数据融合算法的有效性、可靠性进行了验证,结果表明:采用该数据融合算法可以实现粗精独立角度值到绝对角度值的转换,增大了由于外界因素导致融合失败的余量,提高了测角系统无故障工作的可靠性。

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