軸角編碼器碼值跳變糾錯(cuò)方法研究

季 輝 陳小剛 楊甘霖

隨著我國航天發(fā)射新一輪高峰期的到來，天線執(zhí)行任務(wù)的頻度越來越高。天線安全越來越受到人們的重視。軸角編碼器碼值跳變作為天線伺服系統(tǒng)常見故障，嚴(yán)重威脅天線安全。若天線處于位置環(huán)工作方式下軸角編碼器碼值跳變，導(dǎo)致天線飛車；若天線在跟蹤環(huán)工作方式下碼值跳變，則造成測(cè)角數(shù)據(jù)無效，導(dǎo)致航天器跟蹤失敗。本文立足軸角編碼器工作原理，對(duì)碼值跳變?cè)蜻M(jìn)行分析，探尋糾錯(cuò)方法。

軸角編碼器工作原理

碼值生成原理

軸角編碼器主要功能是將天線實(shí)時(shí)角度信息由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將其送至天線控制單元。圖1 為軸角編碼器組成框圖，軸角編碼器由旋轉(zhuǎn)變壓器、角度轉(zhuǎn)換器、振蕩器、移相器及相關(guān)總線組成。其中振蕩器為旋轉(zhuǎn)變壓器提供正弦激磁信號(hào)，并通過移相器為角度轉(zhuǎn)換電路提供基準(zhǔn)信號(hào)。旋轉(zhuǎn)變壓器采用雙通道多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器，通道分為粗通道和精通道。粗通道由1 對(duì)極旋轉(zhuǎn)變壓器組成，精通道由64 對(duì)極旋轉(zhuǎn)變壓器組成。轉(zhuǎn)子在空間繞軸旋轉(zhuǎn)一周，定子繞組中的粗通道電勢(shì)則按正余弦規(guī)律交變1 周，而精通道的電勢(shì)則按正余弦規(guī)律交變64 周，換句話說粗通道輸出電壓的有效值變化周期為360°，而精通道的輸出電壓有效值變化周期為粗通道的1/64。粗、精通道輸出的信號(hào)分別送入角度轉(zhuǎn)換器，直接轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字角度，即軸角編碼器碼值。

粗精結(jié)合

旋變輸出信號(hào)經(jīng)過角度轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后得到14 位二進(jìn)制碼值，依次存入存儲(chǔ)器，利用粗精組合軟件，將14 位粗碼和14 位精碼組合成一組碼值。對(duì)于電變比是64 的旋變來說，粗、精通道轉(zhuǎn)換結(jié)果正好是錯(cuò)開6 位。

圖1 軸角編碼器組成框圖

粗通道碼值的第一位到第六位是整數(shù)部分，第七位（2.8175°）與精通道的最高位相對(duì)應(yīng)，所以粗通道的T7～T14 就是它的余數(shù)部分，這樣取粗通道碼值的整數(shù)部分6 位，精通道的14 位，組合起來得到新的碼值，其結(jié)果為20 位，這就是天線軸角編碼值即為天線角度，見圖3。

角度糾錯(cuò)設(shè)計(jì)

分析軸角編碼器碼值跳變?cè)颍瑢⑵浞譃閮深悺?/p>

（1）信號(hào)傳遞過程或者旋變信號(hào)震蕩等原因產(chǎn)生的誤差，這類誤差使得粗、精通道生成的碼值產(chǎn)生差異，導(dǎo)致粗精結(jié)合失敗。

（2）安裝旋轉(zhuǎn)變壓器時(shí)同心度不夠、長時(shí)間使用等原因，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)變壓器裝配軸變形，引起軸角編碼器產(chǎn)生固定偏差。

針對(duì)這兩種碼值跳變的機(jī)理，設(shè)計(jì)了末位糾錯(cuò)、零位標(biāo)校兩種糾錯(cuò)方法。若是粗精通道碼值產(chǎn)生后進(jìn)行粗精組合，若組合錯(cuò)誤，就采用末位糾錯(cuò)的方法對(duì)粗通道、精通道的碼值進(jìn)行糾錯(cuò)。若組合正確但是天線角度依然存在錯(cuò)誤，此時(shí)就需要依靠零位標(biāo)定來重新設(shè)置角度值。（圖4角度糾錯(cuò)流程圖）

末位糾錯(cuò)

粗精結(jié)合時(shí)，粗通道的有效最低位與精通道的最高位結(jié)合。若粗通道有效最低位出錯(cuò)或者精通道的最高位出錯(cuò)，則粗精通道組合后的碼值錯(cuò)誤，導(dǎo)致角度跳變。這時(shí)就要對(duì)粗通道的有效最低位及精通道的最高位進(jìn)行糾錯(cuò)，使之保持一致。

圖2 多極旋變的粗精通道轉(zhuǎn)換

圖3 軸角編碼組合值

圖4 角度糾錯(cuò)流程圖

糾錯(cuò)分析

在組合前，對(duì)粗通道碼值的整數(shù)部分進(jìn)行糾錯(cuò)處理，其步驟是判斷粗碼的T7、T8 位與精碼的T1、T2 是否相差11，如果不為11，則不糾。如果粗碼的T7、T8 位是11，而精碼的T1、T2 位是00，此時(shí)粗碼比精碼慢了1 位，精碼已經(jīng)進(jìn)位，而粗碼本該進(jìn)位卻未進(jìn)。因?yàn)樵?0 位組合碼中，精碼的14 位要全部取，所以要在粗碼的整數(shù)部分加1。同理若粗碼的第T7、T8 位為00，精碼的T1、T2 位為11，則粗碼比精碼快了1 位，已經(jīng)超前進(jìn)位了。這時(shí)需要在粗碼的整數(shù)部分減1，來校正粗大跳碼，保證編碼精度。

程序設(shè)計(jì)

針對(duì)上文分析，當(dāng)軸角編碼器角度錯(cuò)誤時(shí)，就需對(duì)比對(duì)粗通道末兩位及精通道前兩位，修正錯(cuò)誤碼值，保證粗精結(jié)合正確。編寫程序來實(shí)現(xiàn)以上功能，節(jié)選語句如下。

零位標(biāo)定

圖5 末位糾錯(cuò)代碼節(jié)選

圖6 零位標(biāo)定窗口

圖7 零位標(biāo)校軟件代碼節(jié)選

當(dāng)粗精組合正確，但是天線角度依然錯(cuò)誤，說明實(shí)際位置與顯示位置產(chǎn)生了一定的偏差，稱之為系統(tǒng)偏差。要修正系統(tǒng)偏差，需要將天線指向已知的某些固定位置，重新標(biāo)定顯示角度，使之與實(shí)際位置對(duì)應(yīng)，即零位標(biāo)定。（圖6 零位標(biāo)定窗口）

若方位角度跳碼，控制天線緩慢運(yùn)動(dòng)至零位記憶刻度尺重合處，打開零位標(biāo)定軟件，將方位零位記憶刻度角度零值通過串口置入軸角編碼器，即強(qiáng)行使當(dāng)前顯示角度更改為記錄的零位記憶刻度角度零值。

若俯仰角度跳碼，控制天線緩慢運(yùn)動(dòng)至下預(yù)限位置（下預(yù)限指示燈亮），打開零位標(biāo)定軟件，將下預(yù)限角度值通過串口置入軸角編碼器，當(dāng)前顯示角度更改為記錄的下預(yù)限角度值。（圖7 零位標(biāo)校軟件代碼節(jié)選）

通過零位標(biāo)校，在每次軸角編碼器碼值生成、結(jié)合之后，程序?qū)⒆詣?dòng)扣除系統(tǒng)偏差，便可以獲得實(shí)際天線的角度值。

結(jié)束語

末位糾錯(cuò)與零位標(biāo)校這兩種角度糾錯(cuò)方法，有效地解決了軸角編碼器碼值跳變問題，取得了良好的實(shí)際效果，為天線的安全、穩(wěn)定跟蹤航天器提供了良好保障。本文所述的兩種方法也同樣適用于其他天線，為操作人員解決此類問題提供了參考和依據(jù)。