CN105091835B - 一种转台动态角位置误差测量精度提高装置及校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高精度测角技术，涉及一种转台动态角位置误差测量精度提高装置及方法。所述转台动态角位置误差测量精度提高装置包括测角传感器，高稳定度外同步时钟，伺服电机控制系统，伺服电机，其中，测角传感器由空间四频差动激光陀螺及其控制电路构成，它与被测转台的伺服电机控制系统之间使用高稳定度时钟信号进行同步，伺服电机控制系统和高精度测角传感器都将其高速的角增量信息传输给PXI测控系统，由PXI测控系统输出动态角位置误差信息。本发明采用PXI测控模块与电机控制系统深度耦合的方式，在两者之间通过数十MHz的同步时钟及高速的锁相环技术，将二者的时钟失准及时钟抖动都控制在纳秒量级，实现了转角动态误差的超高速、高精度同步测量。

Description

一种转台动态角位置误差测量精度提高装置及校正方法
技术领域
本发明属于转角动态误差测量技术，涉及一种转台动态角位置误差测量精度提高装置及校正方法。
背景技术
角度测量是几何量计量技术的重要组成部分，特别是高精度动态角度标定，例如在数控机床、高精度转台、卫星天线、远程望远镜等领域，都存在着既要求静态定位精度，也要求稳定的转动动态特性，也就是在相对较高速率的转动下其角位置精度的问题。此前，对转台特性的高精度测量通常会选择使用光学码盘或基于自准直仪的方法，但前者存在着精度有限，无法对角度转动的动态特性进行测量，而后者则存在测角范围小，无法整周测量等缺点。此外，目前的大多数角度测量方法无法实现很高数据更新率(例如，105Hz量级)的角增量输出，对深入研究转台控制系统的动态特性会有一定的影响。
发明内容
本发明的目的是：提供一种超高速、大动态范围的转台动态角位置误差测量精度提高装置。
另外，本发明还提供一种转台动态角位置误差测量校正方法。
本发明的技术方案是：一种转台动态角位置误差测量精度提高装置，其包括测角传感器，过渡板、电机控制系统及PXI测控系统，其中，测角传感器由空间四频差动激光陀螺及其控制电路组成，测角传感器通过过渡板安装在待测转台上，并连接PXI测控系统，所述PXI测控系统基于超高速时基电路，其通过信号通道和数据通道与电机控制系统连接，而电机控制系统连接带动待测转台转动的伺服电机。
所述PXI测控系统包括三个边沿检测模块、三个锁存器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和N倍分频器、若干计数器以及数据处理模块，其中，左右陀螺的TTL信号分别经各自边沿检测模块一路经计算器连接到数据处理模块上，一路连接到锁存器上，接收同步时钟信号的鉴相器与环路滤波器、压控振荡器和N倍分频器构成高速锁相环，且压控振荡器连接到计数器，该计数器分三路经三个锁存器连接到数据处理模块，接收采样时钟的边沿检测模块一路直接连接数据处理模块，一路经锁存器后连接数据处理模块。
一种转台动态角位置误差测量校正方法，其电机控制系统根据目标角位置向伺服电机发送控制命令字，伺服电机根据收到的命令字带动被测转台的转动角度及方向，但转台实际转过的角度与目标角位置之间会存在角秒量级的误差，该角秒量级的角位置误差由被PXI测控系统测量得到，电机控制系统将根据PXI测控系统所测得的角位置误差进行角位置修正，直至其角位置误差低于预定的角位置定位精度。
所述的转台动态角位置误差测量校正方法，其包括如下步骤：
步骤1：测角传感器工作参数标定
在开始正式测量前对所用的空间四频差动激光陀螺的工作参数进行测定和设置；
步骤2：完成动态角位置定位误差测定
在电机控制系统与PXI测控系统之间建立稳定的高速同步时钟，电机控制系统与PXI测控系统同步给出角位置信号，PXI测控系统的角位置信号来自于测角传感器，而电机控制系统的角位置信号是来自于转台的角位置反馈信号；
步骤3：完成动态角位置校正
按照步骤2重复测量6～8次，得到动态角位置定位误差，对其进行平均处理，就能够得到一条角位置误差曲线，将其作为一项误差在电机控制系统中减去，能够大幅减小动态角位置定位的系统误差，提高转台的定位精度。
步骤2中动态角位置定位误差的测定具体过程如下：数据处理模块在采样时钟的每个上升沿会对当前的所采集到的左陀螺TTL信号、右陀螺TTL信号及采样时钟这三路信号所锁存的时标信息及左、右陀螺TTL信号的脉冲计数结果进行算术运算，得到更为准确的角增量信息，数据处理模块将上述角增量信息进行累加，得到角位置信息，并与电机控制系统给出的角位置反馈信息相减，得到电机控制系统的动态角位置误差信息。
所锁存的时标信息获取过程如下：将来自电机控制系统稳定性优于1ppb，时钟频率在10MHz量级的高稳定性时钟转换为高精度GHz时钟，该时钟经过高精度GHz时钟源计数器的计数，产生时标信息，分别作为三个锁存器的数据输入，而三个锁存器的使能信号则分别来源于对左陀螺TTL信号、右陀螺TTL信号及采样时钟的边沿检测结果，从而实现对这三路信号上升及下降沿所对应时标信号的锁存，其中，左陀螺TTL信号及右陀螺TTL信号来自于测角传感器的输出，而采样时钟则来源于电机控制系统。
左、右陀螺TTL信号的脉冲计数结果是在经过边沿检测和计数器后获取的。
本发明的优点是：本发明所涉及的动态角位置定位误差测量装置采用超高速、高稳定的同步时钟将由空间四频差动激光陀螺及其控制电路所组成的测角传感器进行深度耦合，可输出高速的动态角位置定位误差，后者可用于消除因机械安装等原因所造成的动态角位置定位误差，具有较佳的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明所涉及的动态角位置定位误差装置的结构示意图；
图2为本发明所涉及的PXI测控系统中高速同步信号及信号处理电路框图；
图3为本发明所涉及动态角位置误差测量精度提高算法的示意图；
其中，1是过渡板，2是测角传感器(由空间四频差动激光陀螺及其控制电路组成)，3是柔性电缆，4是用于处理电机控制系统及测角传感器信号的PXI测控系统，5是高速时钟同步信号，6是高速数据通道，7是电机控制系统，8是伺服电机，9是待测转台。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
参见图1，其是本发明所针对的动态角位置定位误差测量装置的结构及组成部件。
本发明动态角位置定位误差测量装置包括测角传感器，PXI测控系统，电机控制系统，伺服电机。其中，测角传感器由空间四频差动激光陀螺及其控制电路组成。待测转台与伺服电机连接，其测量端上设置有过渡板1，测角传感器安装在过渡板上，并通过柔电缆连接到PXI测控系统，其通过信号通道和数据通道与电机控制系统7连接，而电机控制系统连接伺服电机。
所述测角传感器2由空间四频差动激光陀螺及其控制电路组成。所述空间四频差动激光陀螺是一种高精度、全固态的惯性角速度传感器，其谐振腔内同时运转着两个偏振态正交的激光陀螺，其控制电路的输出是两路整形后的TTL数字信号，这两路TTL数字信号的频率之差就代表着其所敏感的角速率。空间四频差动激光陀螺用为无机械抖动部件，不会给被测载体带来反力矩作用；刻度系数线性度和重复性均优于1ppm；最高输入转速可达400°/s，能够满足绝大多数转台系统的测量输入需求。
所述动态角位置定位误差测量装置与被测电机控制系统之间有着高速的时钟信号，用于在两者之间提供同步，电机控制系统和测角传感器都将其高速的角位置信息传输给PXI测控系统。
所述PXI测控系统采用并行硬件数字电路处理方式(采用高速FPGA实现)，其将空间四频差动激光陀螺的两路TTL输出数字信号进行10GHz的超高速滤波算法处理，即可得到准确的转速信号，输出高速的角增量信息及角增量误差信息，并储存在硬盘里，形成永久性存储。PXI的硬件实现可选用美国NI公司的高速FPGA PXI处理板卡组成，其主要算法处理均在FPGA内部完成。
参见图2，该图给出了PXI测控系统的逻辑组成。PXI测控系统的核心是一个高速锁相环、三路锁存器及一个数据处理单元。其中，高速锁相环由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及N倍分频器组成，主要作用是将来自电机控制系统的高稳定性时钟(稳定性优于1ppb，时钟频率在10MHz量级)转换为高精度GHz时钟，该时钟经过高精度GHz时钟源计数器的计数，产生时标信息，分别作为三个锁存器的数据输入，而三个锁存器的使能信号则分别来源于对左陀螺TTL信号、右陀螺TTL信号及采样时钟的边沿检测结果，从而实现对这三路信号上升及下降沿所对应时标信号的锁存，其中，左陀螺TTL信号及右陀螺TTL信号来自于测角传感器的输出，而采样时钟则来源于电机控制系统。另一方面，左、右陀螺TTL信号在经过边沿检测和计数器后，可以得到这两路信号所对应的脉冲数信息。数据处理模块在采样时钟的每个上升沿会对当前的所采集到的左陀螺TTL信号、右陀螺TTL信号及采样时钟这三路信号所锁存的时标信息及左、右陀螺TTL信号的脉冲计数结果进行算术运算，可得到更为准确的角增量信息。数据处理模块将上述角增量信息进行累加，得到角位置信息，并与电机控制系统给出的角位置反馈信息相减，即可得到电机控制系统的动态角位置误差信息。
参见图2，外部的高精度时钟源所输出的同步信号，经过由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及N倍分频器所组成的N倍频锁相环路(N为1、2、3、4……)，形成超高速、稳定的时间基准，FPGA内部电路以该时钟源作为基准进行时间测定，其计数结果同步输出给两个锁存器，其中一个锁存器受采样脉冲序列上升沿的控制，将每个采样脉冲的上升沿所对应时刻记录下来；另一路锁存器受被采样TTL信号的控制，其将每个上升下降沿的时刻记录下来，并保存在数据处理模块中。数据处理模块中共记录5个时刻，经简单的数学运算后得到图3中的ΔtA1(L)，ΔtA2(L)，ΔtB1(L)和ΔtB2(L)，以及下一个采样脉冲所对应的ΔtC1(L)，ΔtC2(L)，ΔtD1(L)和ΔtD2(L)。
请参见图3，在左、右陀螺的脉冲计数过程中，数据处理模块会将两个采样脉冲之间的左、右陀螺TTL信号的脉冲沿计计数值记录下来，分别记为n(L)和n(R)。同时，这两路信号的每个边沿(上升沿或下降沿)都产生一个锁存信号，用于将高精度GHz时钟电路的当前计数值记录下来，每个采样脉冲上升沿也产生一路锁存信号，将当前超高精度时钟计数电路的当前值记录下来，在数据处理模块中，将每个采样脉冲上升沿之前以及之后的两个被计数脉冲的边沿时间值记录下来，以左陀螺TTL信号的处理电路为例，这四个时间值与采样脉冲之间的时间差分别用ΔtA1(L)，ΔtA2(L)，ΔtB1(L)和ΔtB2(L)表示(参见图3)。同样，后一采样脉冲沿与其前边两个和后边两个被计数脉冲的时间差分别用ΔtC1(L)，ΔtC2(L)，ΔtD1(L)和ΔtD2(L)表示，则就上升沿而言，位于该采样时间间隔内的分数脉冲数可表示为
其中，图3所示阴影部分所对应的脉冲数是根据其时间长度与其前一个脉冲宽度和后一个脉冲宽度的比值的平均值计算得到的，经验证，该方法有助于进一步改善测角的精度。
总的脉冲计数值为
其中，n(L)是由计数器所得到的左陀螺TTL信号的脉冲沿计数，而分子上的另外两项则是因为采样脉冲与左、右陀螺TTL信号并非同步信号而产生的分数脉冲，上述计算公式充分考虑了因输入角速度变化而导致陀螺脉冲宽度发生变化的情况对于最终陀螺输出计数的影响。
同理，对于右陀螺TTL信号而言，其计算公式为
从以上公式可以看出，要精确地测定脉冲的分数部分，需要高速且稳定的时钟基准，本发明采用稳定性优于1ppb(即10-9)的时钟芯片作为同步时钟(例如美国MMDC公司的mg2系列OCXO)。
最终测得的角增量可表示为
其中，K是空间四频差动激光陀螺的刻度系数，而NPulse(L)和NPulse(R)分别是利用上述方法计算得到的脉冲数(含整数脉冲及分数脉冲)。
本发明超高速转角误差同步方法，其通过超高速时钟同步、并行硬件数字处理的方式实现了对角位置定位误差的精确测量。
参加图1，其中的电机控制系统根据目标角位置向伺服电机发送控制命令字，伺服电机根据收到的命令字带动被测转台的转动角度及方向，但转台实际转过的角度与目标角位置之间会存在角秒量级的误差，该角秒量级的角位置误差将被PXI测控系统测量得到，电机控制系统将根据PXI测控系统所测得的角位置误差进行角位置修正，直至其角位置误差低于预定的角位置定位精度(例如0.1角秒)。
所述的动态角位置定位误差测量校正方法包括如下步骤：
步骤1：测角传感器工作参数标定
本发明所用的空间四频差动激光陀螺是一种高精度的角速率传感器，其有一定的最佳工作参数，例如谐振腔放电电流、刻度系数、零位等，在开始正式测量前需要对这些参数进行测定和设置；
步骤2：完成动态角位置定位误差测定
在电机控制系统与PXI测控系统之间建立稳定的高速同步时钟，电机控制系统与PXI测控系统同步给出角位置信号，PXI测控系统的角位置信号来自于测角传感器，而电机控制系统的角位置信号可以是其设定的角位置信号，也可以是来自于圆感应同步器的反馈信号。
步骤3：完成动态角位置校正
角位置误差可以分为两类：系统误差与随机误差，在实际使用过程中只能够对系统误差进行补偿。按照步骤2重复测量6～8次，得到动态角位置定位误差，对其进行平均处理，就能够大大减小随机误差的影响，得到一条角位置的定位误差曲线，将其作为一项误差在电机控制系统中减去，就能够大大减小动态角位置定位的系统误差。
综上，本专利提出了一种转台动态角位置误差测量精度提高装置及方法。通过建立高精度、高稳定性时钟源及时钟计数电路，并对左、右陀螺TTL信号的上升沿和下降沿进行时标的锁存，从而能够利用算法精确计算出两侧上升沿或下降沿之外的分数脉冲，从而显著提高动态角位置误差的测量精度。试验结果表明，这种方法特别适用于空间四频差动激光陀螺，有望在数控机床、高精度转台、卫星天线、远程望远镜等高精度转动测量领域具有良好的应用前景。

Claims (5)

1.一种转台动态角位置误差测量精度提高装置，其特征在于，包括测角传感器，过渡板、电机控制系统及PXI测控系统，其中，测角传感器由空间四频差动激光陀螺及其控制电路组成，测角传感器通过过渡板安装在待测转台上，并连接PXI测控系统，所述PXI测控系统基于超高速时基电路，其通过信号通道和数据通道与电机控制系统连接，而电机控制系统连接带动待测转台转动的伺服电机，所述PXI测控系统包括三个边沿检测模块、三个锁存器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和N倍分频器、若干计数器以及数据处理模块，其中，左右陀螺的TTL信号分别经各自边沿检测模块一路经计算器连接到数据处理模块上，一路连接到锁存器上，接收同步时钟信号的鉴相器与环路滤波器、压控振荡器和N倍分频器构成高速锁相环，且压控振荡器连接到计数器，该计数器分三路经三个锁存器连接到数据处理模块，接收采样时钟的边沿检测模块一路直接连接数据处理模块，一路经锁存器后连接数据处理模块，数据处理模块在采样时钟的每个上升沿会对当前的所采集到的左陀螺TTL信号、右陀螺TTL信号及采样时钟这三路信号所锁存的时标信息及左、右陀螺TTL信号的脉冲计数结果进行算术运算，得到更为准确的角增量信息，数据处理模块将上述角增量信息进行累加，得到角位置信息，并与电机控制系统给出的角位置反馈信息相减，得到电机控制系统的动态角位置误差信息。
2.一种转台动态角位置误差测量校正方法，其特征在于，电机控制系统根据目标角位置向伺服电机发送控制命令字，伺服电机根据收到的命令字带动被测转台的转动角度及方向，但转台实际转过的角度与目标角位置之间会存在角秒量级的误差，该角秒量级的角位置误差由被PXI测控系统测量得到，在电机控制系统与PXI测控系统之间建立稳定的高速同步时钟，电机控制系统与PXI测控系统同步给出角位置信号，PXI测控系统的角位置信号来自于测角传感器，而电机控制系统的角位置信号是来自于转台的角位置反馈信号，电机控制系统将根据PXI测控系统所测得的角位置误差进行角位置修正，直至其角位置误差低于预定的角位置定位精度。
3.根据权利要求2所述的转台动态角位置误差测量校正方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：测角传感器工作参数标定
在开始正式测量前对所用的空间四频差动激光陀螺的工作参数进行测定和设置；
步骤2：完成动态角位置定位误差测定
数据处理模块在采样时钟的每个上升沿会对当前的所采集到的左陀螺TTL信号、右陀螺TTL信号及采样时钟这三路信号所锁存的时标信息及左、右陀螺TTL信号的脉冲计数结果进行算术运算，得到更为准确的角增量信息，数据处理模块将上述角增量信息进行累加，得到角位置信息，并与电机控制系统给出的角位置反馈信息相减，得到电机控制系统的动态角位置误差信息；
步骤3：完成动态角位置校正
按照步骤2重复测量6～8次，得到动态角位置定位误差，对其进行平均处理，就能够得到一条角位置误差曲线，将其作为一项误差在电机控制系统中减去，能够大幅减小动态角位置定位的系统误差，提高转台的定位精度。
4.根据权利要求3所述的转台动态角位置误差测量校正方法，其特征在于，所锁存的时标信息获取过程如下：将来自电机控制系统稳定性优于1ppb，时钟频率在10MHz量级的高稳定性时钟转换为高精度GHz时钟，该时钟经过高精度GHz时钟源计数器的计数，产生时标信息，分别作为三个锁存器的数据输入，而三个锁存器的使能信号则分别来源于对左陀螺TTL信号、右陀螺TTL信号及采样时钟的边沿检测结果，从而实现对这三路信号上升及下降沿所对应时标信号的锁存，其中，左陀螺TTL信号及右陀螺TTL信号来自于测角传感器的输出，而采样时钟则来源于电机控制系统。
5.根据权利要求4所述的转台动态角位置误差测量校正方法，其特征在于，左、右陀螺TTL信号的脉冲计数结果是在经过边沿检测和计数器后获取的。
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