CN104075733A - 一种双通道正余弦角度传感器误差补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双通道正余弦角度传感器误差补偿系统及方法，高精度转台在数据处理计算机的控制下带动双通道正余弦角度传感器转动，获得N个转台角度α对应的双通道正余弦角度传感器的误差值δ；数据处理计算机对N个转台角度α和与之对应的误差值δ进行频谱特性分析获得误差模型；数据处理计算机将N个转台角度α和与之对应的误差值δ代入上述误差模型并进行拟合获得误差模型中的系数；将上述误差模型及其系数存入数据处理计算机或者后级处理电路；根据上述误差模型及其误差项系数完成双通道正余弦角度传感器的实时误差补偿。本发明成本低、周期短、可有效提高双通道正余弦角度传感器的输出精度。

Description

一种双通道正余弦角度传感器误差补偿系统及方法

技术领域

本发明涉及一种双通道正余弦角度传感器误差补偿系统及方法。

背景技术

双通道正余弦角度传感器是用于测量轴转角角度的一种角度传感器，传感器由粗通道和精通道组成，粗通道测量范围大(0～360°)，精度低；精通道测量范围小(为360°/p)，其中p为精通道的极对数,每对极对应一个电气周期，精度高；粗、精通道输出经过粗精通道耦合后即可实现0～360°范围高精度的角度转换。现有的提高双通道正余弦角度传感器精度的方法通常是增加角度传感器的尺寸，提高角度传感器的极对数和稳定性，采用新工艺、新设备，提高加工精度等手段，因此，以往提高精度的方法设备投入成本高、加工成本高、加工周期长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种成本低、周期短、可有效提高双通道正余弦角度传感器的输出精度的双通道正余弦角度传感器误差补偿系统及方法。

本发明的技术方案是：

一种双通道正余弦角度传感器误差补偿系统，包括高精度转台、双通道正余弦角度传感器、后级处理电路、数据处理计算机；高精度转台精度优于0.5"；双通道正余弦角度传感器安装在高精度转台上，双通道正余弦角度传感器与后级处理电路相连，后级处理电路与数据处理计算机相连；高精度转台在数据处理计算机的控制下带动双通道正余弦角度传感器转动并输出N个转台角度α至数据处理计算机，在N个转台角度α处双通道正余弦角度传感器输出N对角度信号，N为大于等于8的整数；每对角度信号包括粗通道角度信号和精通道角度信号，粗通道角度信号和精通道角度信号经过后级处理电路进行A/D转换、数据耦合处理后获得耦合后的数字角度信号；耦合后的数字角度信号通过数据传输电缆送入数据处理计算机；

数据处理计算机将数字角度信号减去转台角度获得N个转台角度α对应的双通道正余弦角度传感器的误差值δ；数据处理计算机对N个转台角度α和与之对应的误差值δ进行频谱特性分析获得误差模型，所述误差模型为：δ＝A₀+S₁Sinα+S_2pSin(2pα)+C₁Cosα+CγCos(2pα)；其中，A₀是常数项系数，S₁是正弦低次项系数，S_2p是正弦高次项系数，C₁是余弦低次项系数，C_2p是余弦高次项系数；所述高次项是极对数p的2倍；

数据处理计算机将N个转台角度α和与之对应的误差值δ代入上述误差模型并进行拟合获得上述误差模型中的系数A₀、S₁、S_2p、C1、C_2p；将上述误差模型及其系数存入数据处理计算机或者后级处理电路；

数据处理计算机或者后级处理电路根据上述误差模型及其系数完成双通道正余弦角度传感器的实时误差补偿。

后级处理电路包括A/D转换器和控制器，A/D转换器的输入端与双通道正余弦角度传感器相连，A/D转换器的输出端与控制器相连；控制器的输出端与数据处理计算机相连；A/D转换器实现粗通道角度信号和精通道角度信号的模数转换，控制器对模数转换后的粗通道角度信号和精通道角度信号进行数据耦合处理获得耦合后的数字角度信号。

双通道正余弦角度传感器和高精度转台的同轴度优于0.005mm。

在双通道正余弦角度传感器的每个电气周期获得大于4个的转动角度α和与之对应的误差值δ。

利用上述误差补偿系统进行误差补偿的方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)将双通道正余弦角度传感器安装在高精度转台上，高精度转台在数据处理计算机的控制下带动双通道正余弦角度传感器转动，在N个转台角度α处双通道正余弦角度传感器输出N对角度信号；

(2)对N对角度信号进行A/D转换、数据耦合处理后获得N个耦合后的数字角度信号；

(3)将每个数字角度信号减去与之对应的转台角度获得N个转台角度α对应的误差值δ；对N个转台角度α和与之对应的误差值δ进行频谱特性分析获得误差模型，所述误差模型为：

δ＝A₀+S₁Sinα+S_2pSin(2pα)+C₁Cosα+C_2pCos(2pα)；

其中，A₀是常数项系数，S₁是正弦低次项系数，S_2p是正弦高次项系数，C₁是余弦低次项系数，C_2p是余弦高次项系数；所述高次项是极对数p的2倍；

(4)将N个转台角度α和与之对应的误差值δ代入上述误差模型并进行拟合获得上述误差模型中的系数A₀、S₁、S_2p、C₁、C_2p；

(5)根据上述误差模型及其误差项系数完成双通道正余弦角度传感器(2)的实时误差补偿。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明对双通道正余弦传感器误差项进行频谱特性分析，能够准确分析出传感器主要误差项，通过建立传感器误差模型实现对传感器进行实时、动态的误差补偿，降低了双通道正余弦角度传感器加工成本，缩短了生产周期，将双通道正余弦角度传感器输出精度提高30％～50％，可扩展双通道正余弦角度传感器的应用领域。

附图说明

图1为本发明双通道正余弦角度传感器误差补偿系统结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的角度传感器误差补偿系统包括高精度转台1、双通道正余弦角度传感器2、后级处理电路3、数据处理计算机4。高精度转台精度优于0.5"。双通道正余弦角度传感器2安装在高精度转台1上，双通道正余弦角度传感器和高精度转台的同轴度优于0.005mm，高精度转台1在数据处理计算机的控制下带动双通道正余弦角度传感器2转动并输出N个转台角度α至数据处理计算机，N大于等于8；在不同转台位置α处双通道正余弦角度传感器2输出不同的角度信号；双通道正余弦角度传感器2输出的角度信号包括粗通道角度信号和精通道角度信号，粗通道角度信号和精通道角度信号经过后级处理电路进行A/D转换、数据采集处理后获得耦合后数字角度信号；耦合后数字角度信号通过数据传输电缆送入数据处理计算机4，数据处理计算机4将数字角度信号减去转台位置值获得不同转台位置α下对应的双通道正余弦角度传感器2的误差值δ，形成误差测试文件。对误差测试文件中的转台位置α和误差值δ进行频谱特性分析获得误差模型，利用误差测试文件中的转台位置α和误差值δ数据完成误差模型中系数的拟合；可以由数据处理计算机完成双通道正余弦角度传感器2的实时误差补偿；也可以将误差模型及误差项系数通过数据传输电缆写入后级处理电路3中，由后级处理电路3中的控制器独立完成双通道正余弦角度传感器2的实时误差补偿。后级处理电路3包括A/D转换器和控制器，A/D转换器的输入端与双通道正余弦角度传感器2相连，A/D转换器的输出端与控制器相连；控制器的输出端与数据处理计算机4相连；A/D转换器实现粗通道角度信号和精通道角度信号的模数转换，控制器对模数转换后的粗通道角度信号和精通道角度信号进行数据耦合处理获得耦合后的数字角度信号。所述控制器可以是单片机、DSP或者FPGA。

本发明的误差补偿方法包括如下步骤：

(1)将双通道正余弦角度传感器2安装在高精度转台上，调整好安装精度，保证双通道正余弦角度传感器和高精度转台的同轴度优于0.005mm，数据处理计算机实现对高精度转台的位置控制和角度传感器后级处理电路的数据采集，以转台位置为理论值，以后级处理电路输出值为实测值，其差值为双通道正余弦角度传感器的误差值，在数据处理计算机的控制下完成不同转台位置下双通道正余弦角度传感器的误差值测量，并将测试结果形成误差数据文件保存，得到误差函数曲线并用数学公式表示为f(α)＝δ，用傅立叶级数逼近误差函数曲线，得到误差模型公式为：

$\begin{array}{c}f\left(\mathrm{\α}\right)=A_0+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(S_n\mathrm{Sinn\α}+C_n\mathrm{Cosn\α})\\ =A_0+S_1\mathrm{Sin\α}+S_2\mathrm{Sin}2\mathrm{\α}+S_3\mathrm{Sin}3\mathrm{\α}+S_4\mathrm{Sin}4\mathrm{\α}+......\\ +C_1\mathrm{Cos\α}+C_2\mathrm{Cos}2\mathrm{\α}+C_3\mathrm{Cos}3\mathrm{\α}+C_4\mathrm{Cos}4\mathrm{\α}...\end{array}$ ........公式(1)

其中，α是转角，Sn是Sin项的n次项系数，Cn是Cos项的n次项系数。

(2)利用Matlab软件频谱分析功能对双通道正余弦角度传感器误差数据文件中的误差进行频谱分析，得到双通道正余弦角度传感器误差量的频谱特性，根据误差的频谱特性简化误差模型，得到误差模型的应用公式：δ＝A₀+S₁Sinα+S_2pSin(2pα)+C₁Cosα+C_2pCos(2pα)...........公式(2)

其中，A₀是常数项系数，S₁是正弦低次项系数，S_2p是正弦高次项系数，C₁是余弦低次项系数，C_2p是余弦高次项系数；所述高次项是极对数p的2倍；

(3)将传感器误差数据文件中的数据带入到公式(2)中，此时N个转台位置α和误差值δ是已知量，进行最小二乘拟合得到误差模型公式中的各项系数A₀、S₁、S_2p、C₁、C_2p。

(4)将双通道正余弦角度传感器误差模型公式及系数写入数据处理计算机或者后级处理电路中；在系统应用时，后级处理电路测到当前转角为α_s，后级处理电路或数据处理计算机根据所述误差模型及系数计算出该角度下的误差修正量δ_s，并进行误差修正，即α'＝α_s-δ_s，得到当前修正转角为α'，达到修正误差、提高精度的目的。

实施例

(1)将双通道正余弦角度传感器2，外径Φ90mm，内径Φ51mm，厚度22mm，极对数p＝32，安装在高精度转台，调整双通道正余弦角度传感器和高精度转台的同轴度优于0.005mm，数据处理计算机控制高精度转台依次转至512个采样点(32个电气周期，每电气周期16个点)，并完成双通道正余弦角度传感器粗精通道实测角度的采样计算，以转台转动角为基准角度，计算出角度传感器的误差，将所得误差保存形成误差数据文件。

(2)在数据处理计算机中运行Matlab软件，读取误差数据文件，执行Matlab软件中fft()函数，分析得到双通道正余弦角度传感器的误差频率特性，其误差主要项为1次低次项和64次高次项，得到误差模型为：

δ＝A₀+S₁Sinα+S₆₄Sin(64α)+C₁Cosα+C₆₄Cos(64α)........公式(3)

(3)用误差数据文件中的误差数据完成误差项系数的拟合，得到误差公式中的A₀＝12.2368、S₁＝-0.5607、S₆₄＝15.3581、C₁＝-5.3585、C₆₄＝-4.6037，得到应用误差模型为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=12.2368+-0.5607\mathrm{Sin\α}+15.3581\mathrm{Sin}\left(64\mathrm{\α}\right)\\ +-5.3585\mathrm{Cos\α}+-4.6037\mathrm{Cos}\left(64\mathrm{\α}\right)\end{array}$ ...........公式(4)

(4)将应用误差模型(公式4)写入后级处理电路的控制器中，在系统应用时，后级处理电路的控制器测到当前转角为α_s，根据应用误差模型(公式4)计算出该角度下的误差修正量δ_s，并进行误差修正，即α'＝α_s-δ_s，得到当前修正转角为α'，达到修正误差、提高精度的目的。

Claims (5)

1.一种双通道正余弦角度传感器误差补偿系统，其特征在于，包括高精度转台(1)、双通道正余弦角度传感器(2)、后级处理电路(3)、数据处理计算机(4)；高精度转台精度优于0.5"；双通道正余弦角度传感器(2)安装在高精度转台(1)上，双通道正余弦角度传感器(2)与后级处理电路(3)相连，后级处理电路(3)与数据处理计算机(4)相连；高精度转台(1)在数据处理计算机的控制下带动双通道正余弦角度传感器(2)转动并输出N个转台角度α至数据处理计算机，在N个转台角度α处双通道正余弦角度传感器(2)输出N对角度信号，N为大于等于8的整数；每对角度信号包括粗通道角度信号和精通道角度信号，粗通道角度信号和精通道角度信号经过后级处理电路进行A/D转换、数据耦合处理后获得耦合后的数字角度信号；耦合后的数字角度信号通过数据传输电缆送入数据处理计算机(4)；

数据处理计算机(4)将数字角度信号减去转台角度获得N个转台角度α对应的双通道正余弦角度传感器的误差值δ；数据处理计算机(4)对N个转台角度α和与之对应的误差值δ进行频谱特性分析获得误差模型，所述误差模型为：f(α)＝A₀+S₁Sinα+S_2pSin(2pα)+C₁Cosα+C_2pCos(2pα)；其中，A₀是常数项系数，S₁是正弦低次项系数，S_2p是正弦高次项系数，C₁是余弦低次项系数，C_2p是余弦高次项系数；所述高次项是极对数p的2倍；

数据处理计算机(4)将N个转台角度α和与之对应的误差值δ代入上述误差模型并进行拟合获得上述误差模型中的系数A₀、S₁、S_2p、C₁、C_2p；将上述误差模型及其系数存入数据处理计算机或者后级处理电路；

数据处理计算机或者后级处理电路根据上述误差模型及其系数完成双通道正余弦角度传感器(2)的实时误差补偿。

2.根据权利要求1所述的一种双通道正余弦角度传感器误差补偿系统，其特征在于，后级处理电路(3)包括A/D转换器和控制器，A/D转换器的输入端与双通道正余弦角度传感器(2)相连，A/D转换器的输出端与控制器相连；控制器的输出端与数据处理计算机(4)相连；A/D转换器实现粗通道角度信号和精通道角度信号的模数转换，控制器对模数转换后的粗通道角度信号和精通道角度信号进行数据耦合处理获得耦合后的数字角度信号。

3.根据权利要求1所述的一种双通道正余弦角度传感器误差补偿系统，其特征在于，双通道正余弦角度传感器和高精度转台的同轴度优于0.005mm。

4.根据权利要求1所述的一种双通道正余弦角度传感器误差补偿系统，其特征在于，在双通道正余弦角度传感器的每个电气周期获得大于4个的转动角度α和与之对应的误差值δ。

5.利用权利要求1至4任一权利要求所述的误差补偿系统进行误差补偿的方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)将双通道正余弦角度传感器安装在高精度转台上，高精度转台(1)在数据处理计算机的控制下带动双通道正余弦角度传感器(2)转动，在N个转台角度α处双通道正余弦角度传感器(2)输出N对角度信号；

(2)对N对角度信号进行A/D转换、数据耦合处理后获得N个耦合后的数字角度信号；

(3)将每个数字角度信号减去与之对应的转台角度获得N个转台角度α对应的误差值δ；对N个转台角度α和与之对应的误差值δ进行频谱特性分析获得误差模型，所述误差模型为：

δ＝A₀+S₁Sinα+S_2pSin(2pα)+C₁Cosα+C_2pCos(2pα)；

其中，A₀是常数项系数，S₁是正弦低次项系数，S_2p是正弦高次项系数，C₁是余弦低次项系数，C_2p是余弦高次项系数；所述高次项是极对数p的2倍；

(4)将N个转台角度α和与之对应的误差值δ代入上述误差模型并进行拟合获得上述误差模型中的系数A₀、S₁、S_2p、C₁、C_2p；

(5)根据上述误差模型及其误差项系数完成双通道正余弦角度传感器(2)的实时误差补偿。