絕對式圓感應同步器粗精數據融合

王 飛,付 晶,朱 鈺,韓昌佩

(1.中國科學院上海技術物理研究所,上海 200083;2.中國科學院紅外探測與成像技術重點實驗室,上海 200083)

在高精度的角度測量系統中,常用到光柵編碼器和感應同步器,光柵編碼器具有測量精度高的特點,但是,由于光柵盤一般使用玻璃作的,在相對惡劣的環境下會影響測角的性能和可靠性,感應同步器是一種電磁傳感元件,利用電磁感應原理進行角度測量,可以將角位移信號轉換成電壓信號,由于多極結構的設計,對誤差有平均效應,起到了補償的作用,因此,感應同步器具有很高的精度,被廣泛應用在航空、航天等軍事領域[1-6]。對于感應同步器的研究,從測角精度考慮,目前主要圍繞感應同步器測角系統誤差分析和誤差補償展開[10-14],從測角連續性考慮,很少有文章進行研究。在實際測角系統設計中,通過電子學配合機械進行感應同步器裝配,設計高質量的信號處理電路來補償感應同步器自身的設計誤差,可以實現顯著減小測角誤差的目的,在不通過軟件進行誤差補償的情況下,測角精度仍然可以達到±1″。絕對式圓感應同步器粗精數據融合不會減小測角誤差,不會提高測角精度,但是,如果數據融合做不好,會影響角度的連續性,使得角度值出現固定角度大小的跳躍,跳躍間隔為精通道測量周期的±1倍[1],對測角精度造成間接影響。

絕對式圓感應同步器將粗通道和精通道集成在一個盤子上,并且,粗通道和精通道是相互獨立的,精通道的精度可以達到角秒級,粗通道的精度一般在角分級別。絕對式圓感應同步器應用在大角度測角系統中時,精通道可以保證測量精度,但是無法定位當前準確的機械角度,粗通道可以定位當前的大致機械角度,但是測量誤差太大,因此,需要對粗通道和精通道進行數據融合,實現測角系統絕對角度的獲取。

本文提出了一種基于絕對式圓感應同步器的數據融合方法,不同于只利用糾錯表進行融合,或者利用滑動區間判定法糾錯的方法[1],該方法增加了對粗通道數據補償的環節。文中介紹了絕對式圓感應同步器的工作方式,重點介紹了粗通道的數據補償和精通道的周期修正,最后,通過試驗對程序進行測試。試驗結果表明:采用該套數據融合算法,轉動感應同步器,位置數據是連續無跳點的,并且,該數據融合方法可以有效的改善由于溫度變化導致的融合失敗,達到了預期效果,顯著的提高了測角系統性能。

圖2 數據融合流程圖

1 絕對式圓感應同步器工作方式

絕對式圓感應同步器,由精通道和粗通道組成,粗通道有1對極,可以對360°周期進行測量,精通道為多對極的結構方式,用來保證感應同步器的測角精度,粗通道采用螺旋繞組的結構形式,精通道采用多極結構繞組,粗通道對溫度敏感性更高。感應同步器工作的時候需要外界提供激磁信號,激磁的方式有雙相激磁和單相激磁,激磁信號可以為方波信號、正弦波信號,感應同步器在激磁信號的作用下,會在定子繞組上感應出交變的電動勢,雖然輸出的電動勢中反映了機械轉角,但為了能夠檢出電勢中所包含的角度信息,還需要對輸出電勢進行處理,采用的檢測形式有鑒幅檢測和鑒相檢測,配合兩種激磁方式,感應同步器的基本工作方式有4種[7-12],本系統采用單相激磁鑒幅檢測的方式。

絕對式圓感應同步器工作時,粗通道和精通道獨立運行,與一般的感應同步器工作原理相同,輸出信號經過信號調理電路處理,再經過軸角數字轉換后,需要配備數據融合單元來完成對絕對角度的編碼工作。本文采用的絕對式圓感應同步器為常州維能達精機有限公司研制的JX175/360-WND型,其速比為1∶180,圖1所示為絕對角度測量方法框圖。

圖1 絕對角度測量方法框圖

2 粗精數據融合實現

①數據融合的意義

絕對式圓感應同步器經過軸角轉換后只能得到粗通道和精通道各自獨立的角度值,需要通過粗精數據融合的方式來實現到絕對角度的轉換。

②數據融合的原理

利用誤差較大的粗通道數據定位精通道當前角度所處的機械周期數,然后再根據精度較高的精通道數據定位當前角度的精確位置。

絕對式圓感應同步器的絕對角度計算數學模型為

(1)

(2)

式中:T為精通道所處位置的機械周期數,θ機為絕對角度,θC為粗通道的原始角度,θF為精通道的原始角度,[ ]表示取整運算。

2.1 數據融合流程

絕對式圓感應同步器數據融合分兩步完成,對粗通道的角度進行補償和對精通道的周期數進行修正,圖2為數據融合流程圖。

測角系統接收到上位機的使能信號觸發后,獲取軸角轉換器的16 bit精通道數據(Data_F)和16 bit粗通道數據(Data_C),然后,將粗通道的數據轉換為實數,依次對粗通道的數據進行偏移量調整和粗精零位偏差補償,得到的X補償中k_adjust和b_adjust都放大了210倍,最后,再將補償后的數據縮小至1 024分之一后,轉換為16 bit的二進制數(Data_C_adj),完成對粗通道的數據補償。

將補償后的粗通道數據乘以180,得到初始融合角度(Comdata),此時,粗通道和精通道每一個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,根據判斷結果,對Comdata的高8 bit進行+1或者-1修正,完成精通道的周期修正,最后,用精通道的數據替換Comdata的低16 bit,完成數據融合。

2.2 粗通道角度補償

在絕對式圓感應同步器構成的測角系統中會存在著系統誤差和隨機誤差,在不同的應用環境下,還存在著精通道角度和粗通道角度的漂移。為了降低誤差對數據融合可靠性的影響,需要對采集到的粗通道數據進行補償。

對于速比為1∶180的絕對式圓感應同步器,精通道有180個電周期,每個電周期表示的機械角度為2°,精通道存在180個零位點,粗通道有1個電周期,表示的機械角度為360°。當精通道為零位點的時候粗通道對應的位置為理論粗通道零位點,同樣存在180個,并且,這180個理論粗通道零位點對應的角度值為360/180×n(n=0,1,…,179),由于誤差的存在,當精通道為零位點的時候,粗通道的實際角度值為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。對粗通道數據進行補償,實際是盡可能的減小M值。

圖3 精通道和粗通道原始數據

首先,獲取絕對式圓感應同步器的精通道和粗通道原始數據。數據采集通過手動轉動絕對式圓感應同步器一周得到,圖3為采集到的精通道和粗通道的原始數據,其中,DataFine為精通道的原始數據,有180個周期,DataCoarse為粗通道的原始數據,為1個周期。

然后,計算粗通道的理論粗通道零位值和實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際零位偏差,總共有180個零位點。

圖4 粗通道的理論零位和實際零位偏差

最后,根據零位偏差碼字大小進行偏移量調整,根據零位偏差曲線形式進行分段,如圖5,完成了偏移量調整和分段點的確定。偏差曲線上只給出了粗通道的零位點序號,每個零位點反映了粗通道當前的角度值,相鄰兩個分段點作為一個分段,在該區間內的粗通道數據采用同一個函數進行補償,圖6為補償后得到的理論粗通道零位和實際粗通道零位偏差。

圖5 調整偏移量后的粗通道的理論零位和實際零位偏差

圖6 補償后的粗通道的理論零位和實際零位偏差

本設計對M值進行了約束,超過約束值后(設計值為0.875°),會出現周期定位錯誤的情況,那么,融合后的角度值也會出現2°跳躍。由圖6知,補償后的粗精零位偏差小于25個碼字,由于粗通道的角度是進行的16 bit軸角轉換,轉換為模擬量為

(3)

因此,經過補償后零位偏差<0.137°,系統擁有更高的可靠性。

借助MATLAB完成粗通道的偏移量和數據補償函數確定,得到的偏移量和補償函數可以直接寫到數據融合程序里。下面是該系統采用的粗精零位偏差分段補償函數,其中,X粗為調整偏移量后的粗通道數據,X補償為補償后的粗通道數據。

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

2.3 精通道周期修正

雖然經過修正后的理論粗通道零位和實際粗通道零位偏差<0.137°,但是仍然是存在偏差的,粗精數據融合算法需要對由粗通道計算出來的精通道當前測量周期數進行修正,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°機械角度,精通道用216碼字表示2°機械角度,精通道1LSB表示0.11″,粗通道1LSB表示0.33＇,粗通道和精通道1LSB表示的機械角度比值為

(4)

在進行精通道周期數修正前,第1步需要對補償后的粗通道角度值乘以180,使得粗通道1LSB表示的機械角度與精通道一致。第2步判斷周期數是否需要進行調整,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。

如果計算的結果不滿足上面兩種條件的話,表明當前位置的精通道周期數是判斷正確的,不需要進行修正。

數據融合后數據長度為24 bits,其中,高8 bits指示當前精通道所處位置的周期數,低16 bits為精通道的原始數據,反映了在當前2°機械周期內位置信息的絕對值。

3 試驗結果

將粗精數據融合程序燒寫到FPGA中,通過手轉動的方式緩緩地轉動絕對式圓感應同步器,同時,FPGA將融合數據通過串口實時的發送給PC機,如圖9所示,為絕對式圓感應同步器數據融合后的動態數據。

圖9 融合后角度動態測試數據

圖9中,給出的是數據融合后的動態角位置信息和數據融合后的角速度信息,兩組數據曲線的橫坐標為采樣點數,縱坐標為碼字。從角位置曲線中可以看出,數據是連續無跳點的,沒有出現2°臺階式跳躍,表明設計的數據融合算法是有效的。

將感應同步器置于真空罐內,控制環境溫度為-10°,0°和45°,并控制絕對式圓感應同步器進行小范圍內的運動,采集絕對式圓感應同步器的融合后的數據和粗通道的原始數據,然后,從融合后的數據中提取精通道的原始數據,可以得到不同溫度環境下的粗精零位偏差。

圖11 不同溫度環境下的融合數據

圖10為不同溫度環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為對應的融合數據,即使粗通道角度發生了很大的漂移,但是粗精零位偏差曲線形狀沒有改變,對粗通道數據進行補償可以減小最大粗精零位偏差值,從而實現融合后的數據是連續的,表明設計的數據融合算法可以適應一定惡劣的環境,當工作在小范圍溫度變化的環境下時,擁有更高的可靠性,測角系統更穩定。

圖10 不同溫度環境下的粗精零位偏差

4 結論

本文研究了絕對式圓型感應同步器的粗精數據融合設計要點,重點介紹了粗通道角度補償和精通道周期修正過程,最后對粗精數據融合算法的有效性、可靠性進行了驗證,結果表明:采用該數據融合算法可以實現粗精獨立角度值到絕對角度值的轉換,增大了由于外界因素導致融合失敗的余量,提高了測角系統無故障工作的可靠性。

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