一種基于IK220板卡實時鎖存的動態(tài)測角方法研究

王昱峰 張新磊 高 揚 張 功

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

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

本文提出了一種基于IK220板卡實時鎖存的動態(tài)測角方法，采用海德漢公司生產的IK220板卡來實時鎖存轉臺速率軸位置傳感器的周脈沖位置數據，進而對鎖存的數據進行分析處理，得到了轉臺旋轉軸的動態(tài)測角精度。實驗數據表明，此方法能夠滿足中低速轉臺的中低動態(tài)測角精度的要求，并且使用方便、簡單。

2 轉臺動態(tài)測角的工作原理

對于目前的轉臺來說，獲得一個準確的靜止位置已具有較成熟的技術。

其基本原理如下：將高精度的位置傳感器在t0時刻獲得的模擬正弦信號，通過濾波、數模轉換電路處理和數據的傳輸，在t1時刻得到模數轉換完畢的位置值，如果轉臺處于靜止或者低速狀態(tài)，獲得數字量位置值的時刻t1的實際位置與采集模擬信號時刻t0的位置值近似一致，那么，這個位置值就是測量所獲得的靜止位置。

但是，對于以速度v轉動的轉臺來說，電路中存在模數轉換時間和數據傳輸時間，兩者之和為

(1)

所以，運動中的轉臺在t0時刻和t1時刻的位置是不一樣的，其差值為

(2)

動態(tài)測角本質上就是對運動中的轉臺獲得一個實時對應的準確角位置值。在這個誤差產生的過程中，由于延時時間很短，故可以認為速率是不變的，不確定的是電路中存在的模數轉換時間和數據傳輸時間，顯然，隨著轉臺旋轉軸速率的不斷增大，誤差會逐漸增加。為了獲得準確的角度值，就必須減少電路中的模數轉換時間和數據傳輸時間，提高板卡的開關頻率，從而減少誤差，提高轉臺測角系統(tǒng)的精度。對用戶而言，直接反映了被測產品的測量準確性[3]。

3 IK220板卡的測量原理

IK220板卡是PCI總線形式計數卡，可以匹配指定輸出信號類型光柵、磁柵、容柵類角度或直線編碼器。安裝在所有帶PCI插槽的計算機內，其支持ENDAT、SSI、1Vpp和11μApp共4種信號形式的編碼器，具有兩個編碼器接口，其細分倍數為4096，測量計數值為44位，由12位柵距內細分值和32位整柵距計數值組合而成[3]。IK220板卡內有兩個CPU，CPU在裝載固件后，處理周期可達25μs。IK220板卡的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。兩路編碼器(X1、X2)的位置信息可以實時保存在計算機里，利用軟件對其進行進一步的處理[4]。

IK220板卡測量值的調用和鎖存是通過外部鎖存輸入或距離編碼參考信號(即編碼器的零位信號)的轉換得到。對于編碼器的輸入信號為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)來讀取細分卡中鎖存的位置值時，總是上一個時刻刷新的角度值。且采樣脈沖落在2μs之間的任意時刻，由于讀取指令和細分卡采樣指令不能同步，時間的插值Δt在(0～2)μs之間不定，因此產生了由于速率的引入造成的動態(tài)測角誤差。如果速率軸以100°/s運動，獲得數字位置值時，轉臺已經在該位置基礎上又移動了0″～0.72″，針對一些需要高準確度動態(tài)校準的慣導產品來說，這個誤差是不能忽略的。而對中低速轉臺的中低測角精度是可以接受的。圖1中的X1、X2為測量值的輸入通道，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板卡外部鎖存信號的連接線路圖，X1或X2通道實時的采集當前角位置傳感器的位置信號，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，通過檢測零位脈沖的上升沿變化，即可通過X1或X2得到當前角位置的鎖存值，通過利用IK220板卡的庫函數對其內部的寄存器進行操作，即可得到零位脈沖上升沿變化時角位置傳感器的鎖存值。

4 動態(tài)測角系統(tǒng)的實現與驗證

4.1 動態(tài)測角系統(tǒng)的實現

為了測試的便利性，我們直接采用碼盤自身的零位標志，鑒于計算機需要采集碼盤信號，動態(tài)測角系統(tǒng)也要采集碼盤信號，兩者之間產生了沖突，為了解決這一問題，自研了一個簡易的碼盤分配器，用于把碼盤輸出的信號一分為二，分別用于計算機的數據處理和周脈沖的零位信號，具體的連接線路如圖3所示。

圖3 動態(tài)測角系統(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中的機械臺體碼盤端輸出碼盤的原始信號，由碼盤分配器的A1引腳輸入，在內部一分為二，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，由于X11只需要一個電平觸發(fā)，所以不需要全部的信號都引入，只引入了碼盤信號中的C+和GND信號。把此信號接入到圖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))進行旋轉軸位置信息的鎖存。

4.2 動態(tài)測角系統(tǒng)的實驗驗證

基于上述測試原理和方法，編寫了一款用于測量轉臺速率軸動態(tài)測角精度的測試軟件。軟件測試程序的流程圖如圖4所示。

圖4 測試程序流程圖Fig.4 Flow diagram of test procedure

測試計算機里安裝有一塊IK220的板卡和板卡驅動的前提下，根據圖3的連接示意圖連接相關的線纜后，在VC6.0軟件的編譯環(huán)境里，首先建立一個空的對話框工程，加載IK220卡的動態(tài)鏈接庫，然后，在初始化函數里對IK220板卡進行初始化設置，包括編碼器接口類型、信號類型、鎖存通道等等，利用IK220板卡動態(tài)鏈接庫里的相應函數對轉臺測試軸的周脈沖信號進行鎖存處理，并以列表的方式顯示在對話框界面上，方便測試人員對其精度進行比較和計算。

最終的測試程序界面如圖5所示，轉臺速率軸以某一速率旋轉，待轉速平穩(wěn)后，打開測試軟件，在界面的右側設置角位置傳感器的線數，點擊右下角的“開始”按鈕，在左側的列表框內就會實時的顯示IK220板卡的鎖存值。點擊“停止并保存數據”按鈕，鎖存數據就會被保存到約定的某一路徑之下，供測試人員進行數據分析和處理。表1為轉臺速率軸以不同速率旋轉時，轉臺速率軸相鄰兩次零位脈沖對動態(tài)測角系統(tǒng)觸發(fā)所得角度差值的絕對值。

圖5 轉臺速率軸動態(tài)測角系統(tǒng)的測試程序界面Fig.5 Test procedure interface of dynamic goniometry which on velocity axis of turntable

序號速率點(°/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的測試數據是在轉臺速率平穩(wěn)時測得的，可以反映此速率點下的真實情況。從表1可以看出，隨著轉臺速率的不斷增大，相鄰兩次零位脈沖觸發(fā)所得角度差值的絕對值總體上也呈增大趨勢。也就是說，隨著轉臺速率的增加，轉臺的動態(tài)測角精度逐漸變差。

為了說明此方法的有效性，根據GJB1801-1993中的角速率試驗方法，給出了用傳統(tǒng)的霍爾加磁鋼的方法，測試轉臺在不同速率點下相鄰兩次脈沖觸發(fā)所得角度差值的絕對值，如表2所示。

從表2中可以看出，隨著轉臺速率的增加，轉臺的動態(tài)測角精度逐漸變差，與表1中測試數據的變化趨勢一致。針對同一個測試速率點，表2中正反轉測試數據的離散程度較大，且動態(tài)測角精度較差。這主要是由于磁鋼的感應面較大所致，而光電碼盤的零位僅是一個微小的刻線。

因此，與傳統(tǒng)的霍爾加磁鋼的方式相比，基于IK220卡的動態(tài)測角系統(tǒng)的測試精度更高，為了進一步消除離散誤差，建議多次測試，取得測試結果的平均值。

5 結束語

詳細地介紹了一種新的動態(tài)測角方法，并對轉臺速率軸的動態(tài)測角性能進行了實際測試。測試結果表明，在用戶對轉臺旋轉軸的動態(tài)測角精度要求較高的前提下，基于IK220板卡的轉臺速率軸動態(tài)測角精度的測量方法科學有效，測試軟件簡單易用，具有很好的實用價值。