CN105910532B - 测角系统零位误差测试及综合误差补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用多面棱体进行感应同步器测角系统误差测试及补偿的方法。应用本发明所示方法进行感应同步器测角系统误差测补，具有较好的全局补偿效果，解决了其他应用多面棱体测补的方法仅在误差标本采样点有补偿效果，在非采样点无效的问题。该方法应用棱体方式实现了感应同步器测角系统的误差测试及补偿，与高精度光栅方式相比，具有更广泛的工程适用性。
Description
技术领域
本发明涉及测角误差测试及标定技术领域，具体为一种测角系统零位误差测试及综合误差补偿方法。
背景技术
由感应同步器组成的测角系统测量精度高、抗干扰性好,广泛用于精密角位置伺服系统。感应同步器测角系统的综合误差数据分为零位误差和细分误差。感应同步器测角系统的综合误差特性稳定，软件补偿是提高系统精度的有效手段。
感应同步器测角系统误差软件补偿可采用线性插值、模型拟合、神经网络或小波分析等不同方法。应用这些方法进行误差补偿的前提是得到有效的综合误差数据。为了得到有效的综合误差数据，一般通用的做法是采用更高精度的角度基准(包括精密端齿盘、高精度圆光栅、多面棱体等)比对测试。精密端齿盘测试过程需逐点人工干预，工作量大，仅适用于小角度范围测试。高精度圆光栅易实现自动测试，可密集采样误差并由模型拟合补偿，现有感应同步器误差测试及补偿的研究大多基于该方式。但高精度圆光栅的测试方法，除要求高精度的光栅元件，对指示光栅、标尺光栅的装调质量也有很高的要求。一般在装调完成后还需利用其他方式细致标校，不便于工程应用。多面棱体测试方式测试精度高，且装调简单，是高精度测角系统进行工程测试的主要手段。但多面棱体测试方式所测数据稀疏，一般仅用于掌握误差概貌，鲜有利用其测试数据进行误差补偿的报道，即使有个别利用其测试结果进行误差补偿的尝试，因零位误差的测试及扣除不充分，仅在误差标本采样点补偿效果显著，在其他位置补偿效果大打折扣。
发明内容
有鉴于此，提供一种安装简单，测试角度范围大，测试精度高，应用场合广泛的多面棱体测角系统零位误差测试及综合误差补偿方法实为必要。
一种测角系统零位误差测试方法，该测角系统包括感应同步器或旋转变压器，所述感应同步器或旋转变压器包括精测元件，所述精测元件的对极数为m，该方法包括以下步骤：
S1，提供一具有n个面的第一多面棱体，分别以所述精测元件正、余弦绕组在同一对极下的四个奇、偶零位为起点开始测试，其中，第i个对极下精测元件正弦绕组的偶零位角度为i×360°/m、余弦绕组的偶零位角度为(i+0.25)×360°/m、正弦绕组的奇零位角度为(i+0.5)×360°/m、余弦绕组的奇零位角度为(i+0.75)×360°/m，并测试整周得到角度间隔为360°x/n的四组正、余弦绕组奇、偶零位的相对误差，分别计为正弦绕组的偶零位相对误差数组Z0(共n/x个数据点，数组元素记为Z0j；j＝0,1,2,…,n/x)、余弦绕组的偶零位相对误差数组Z1(数组元素记为Z1j)、正弦绕组的奇零位相对误差数组Z2(数组元素记为Z2j)及余弦绕组的奇零位相对误差数组Z3(数组元素记为Z3j)，所述x为正整数，表示对于选定的极对数m及棱体面数n，测试时需隔x－1个棱体面测试一点零位误差值，所述x与m、n的关系如下表格所示：
；以及
S2，基于所述四组相对误差，用线性插值的方法计算所述精测元件所有对极下的4点相对零位误差Δαsei、Δαcei、Δαsoi、Δαcoi，其中，Δαsei表示正弦偶零位误差，Δαcei表示余弦偶零位误差，Δαsoi表示正弦奇零位误差，Δαcoi表示余弦奇零位误差，下标i表示第i个对极，具体算式如下：
步骤S1中，所述n为24、36、72或144。
优选地，精测元件的极对数m越多，为测出零位误差中的高次成分，n适宜取大值。
步骤S2中，所述m为180、360或720。
一种测角系统的综合误差补偿方法，该测角系统由感应同步器或旋转变压器组成，所述感应同步器或旋转变压器包括精测元件，所述精测元件对极数为m，该方法包括以下步骤：
S1，提供一具有n个面的第一多面棱体，分别以所述精测元件正、余弦绕组在同一对极下的四个奇、偶零位为起点开始测试，其中，第i个对极下精测元件正弦绕组的偶零位角度为i×360°/m、余弦绕组的偶零位角度为(i+0.25)×360°/m、正弦绕组的奇零位角度为(i+0.5)×360°/m、余弦绕组的奇零位角度为(i+0.75)×360°/m，测试整周得到角度间隔为360°x/n的四组正、余弦绕组奇、偶零位的相对误差，分别计为正弦绕组的偶零位相对误差数组Z0(共n/x个数据点，数组元素记为Z0j；j＝0,1,2,…,n/x)、余弦绕组的偶零位相对误差数组Z1(数组元素记为Z1j)、正弦绕组的奇零位相对误差数组Z2(数组元素记为Z2j)及余弦绕组的奇零位相对误差数组Z3(数组元素记为Z3j)，所述x为正整数，表示对于选定的极对数m及棱体面数n，测试时需隔x－1个棱体面测试一点零位误差值，所述x与m、n的关系如下表格所示：
；以及
S2，基于所述四组相对误差，用线性插值的方法计算所述精测元件所有对极下的4点相对零位误差Δαsei、Δαcei、Δαsoi、Δαcoi，其中，Δαsei表示正弦偶零位误差，Δαcei表示余弦偶零位误差，Δαsoi表示正弦奇零位误差，Δαcoi表示余弦奇零位误差，下标i表示第i个对极，具体算式如下：
S3，计算任一对极下的相对零位误差补偿量，并在当前输出角度中扣除，补偿零位误差对测角系统输出的影响，该计算依据下表公式：
其中，αd为测角系统精测通道输出的电角度，αd/m为电角度对应的机械角度。
S4，提供一具有q个面的第二多面棱体，用该第二棱体测试测角系统的综合误差序列，对该综合误差序列按照测试点精测输出值θf的大小排序，得到细分误差序列X0；以及
S5，依据所述精测输出值θf的大小在X0中线性插值得细分误差补偿量Δαf并在最终输出的角度θ中扣除，进行细分误差补偿，具体计算公式如下：
步骤S3中，所述αd范围为0°～360°。
步骤S4中，所述q为13、17、23或46。
本发明采用先获取所有两相零位误差数据并补偿其影响，再处理剩余细分误差的方式，提供了一种由多面棱体测得比较全面的零位误差数据的方法及应用稀疏测试数据实现误差补偿的方法。应用本发明所示方法进行感应同步器测角系统误差测补，具有较好的全局补偿效果，解决了其他应用多面棱体测补的方法仅在误差标本采样点有补偿效果，在非采样点无效的问题。该方法采用具有更广泛工程适用性的多面棱体实现了稀疏采样条件下感应同步器测角系统误差的有效测试及补偿，具有较强的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的测角系统零位误差测试方法采用的测试系统的安装示意图。
图2为一精测元件为360对极的测角系统任一对极下的细分误差示意图，其中重点示出了任一对极下的4点相对零位误差。
图3本发明实施例提供的误差补偿方法与其他补偿方法在以0°为起点检验补偿前后的效果(注：两种方法细分误差序列X0的测试起点均为0°)。
图4本发明实施例提供的误差补偿方法与其他补偿方法在以90°为起点检验补偿前后的效果。
图5本发明实施例提供的误差补偿方法与其他补偿方法在以180°为起点检验补偿前后的效果。
图6本发明实施例提供的误差补偿方法与其他补偿方法在以270°为起点检验补偿前后的效果。
主要元件符号说明
旋转轴系 10
感应同步器或旋转变压器 20
被测轴 30
多面棱体 40
自准直仪 50
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
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阐述，参照附图。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
请参见图1，本发明提供的基于多面棱体的测角系统零位误差测试方法及综合误差补偿方法搭建的测试系统包括旋转轴系10、感应同步器或旋转变压器20、多面棱体40、自准直仪50。所述旋转轴系10竖直放置，且其旋转轴可在轴系控制系统(图未示)的控制下实现任意角位置走位，已完成轴系精度及定、转子间隙的调整。所述感应同步器20及所述多面棱体40被安装在所述旋转轴系10。所述多面棱体40通过安装工装安装在被测轴30的轴端。所述自准直仪50与被测轴30置于同一基座。调整自准直仪光轴与棱体轴心等高，转动被测轴，调节塔差至允许范围(≤100″)。
本发明实施例提供的一种测角系统零位误差测试方法，该测角系统包括感应同步器或旋转变压器，所述感应同步器或旋转变压器包括精测元件，所述精测元件的对极数为m，该方法包括以下步骤：
S1，提供一具有n个面的第一多面棱体，分别以所述精测元件正、余弦绕组在同一对极下的四个奇、偶零位为起点开始测试，其中，第i个对极下精测元件正弦绕组的偶零位角度为i×360°/m、余弦绕组的偶零位角度为(i+0.25)×360°/m、正弦绕组的奇零位角度为(i+0.5)×360°/m、余弦绕组的奇零位角度为(i+0.75)×360°/m，并测试整周得到角度间隔为360°x/n的四组正、余弦绕组奇、偶零位的相对误差，分别计为正弦绕组的偶零位相对误差数组Z0(共n/x个数据点，数组元素记为Z0j；j＝0,1,2,…,n/x)、余弦绕组的偶零位相对误差数组Z1(数组元素记为Z1j)、正弦绕组的奇零位相对误差数组Z2(数组元素记为Z2j)及余弦绕组的奇零位相对误差数组Z3(数组元素记为Z3j)，所述x为正整数，表示对于选定的极对数m及棱体面数n，测试时需隔x－1个棱体面测试一点零位误差值，所述x与m、n的关系如下表格所示：
；以及
S2，基于所述四组相对误差，用线性插值的方法计算所述精测元件所有对极下的4点相对零位误差Δαsei、Δαcei、Δαsoi、Δαcoi，其中，Δαsei表示正弦偶零位误差，Δαcei表示余弦偶零位误差，Δαsoi表示正弦奇零位误差，Δαcoi表示余弦奇零位误差，下标i表示第i个对极，具体算式如下：
步骤S1中，所述n为24、36、72或144。
精测元件的极对数m越多，为测出零位误差中的高次成分，n适宜取大值。
步骤S2中，所述m为180、360或720。
本发明实施例提供一种基于多面棱体的测角系统的综合误差补偿方法，该方法中的步骤S1，S2与图2中实施例的步骤S1，S2完全相同。该测角系统由感应同步器或旋转变压器组成，所述感应同步器或旋转变压器包括精测元件，所述精测元件对极数为m，该方法包括以下步骤：
S1，提供一具有n个面的第一多面棱体，分别以所述精测元件正、余弦绕组在同一对极下的四个奇、偶零位为起点开始测试，其中，第i个对极下精测元件正弦绕组的偶零位角度为i×360°/m、余弦绕组的偶零位角度为(i+0.25)×360°/m、正弦绕组的奇零位角度为(i+0.5)×360°/m、余弦绕组的奇零位角度为(i+0.75)×360°/m，测试整周得到角度间隔为360°x/n的四组正、余弦绕组奇、偶零位的相对误差，分别计为正弦绕组的偶零位相对误差数组Z0(共n/x个数据点，数组元素记为Z0j；j＝0,1,2,…,n/x)、余弦绕组的偶零位相对误差数组Z1(数组元素记为Z1j)、正弦绕组的奇零位相对误差数组Z2(数组元素记为Z2j)及余弦绕组的奇零位相对误差数组Z3(数组元素记为Z3j)，所述x为正整数，表示对于选定的极对数m及棱体面数n，测试时需隔x－1个棱体面测试一点零位误差值，所述x与m、n的关系如下表格所示：
；以及
S2，基于所述四组相对误差，用线性插值的方法计算所述精测元件所有对极下的4点相对零位误差Δαsei、Δαcei、Δαsoi、Δαcoi，其中，Δαsei表示正弦偶零位误差，Δαcei表示余弦偶零位误差，Δαsoi表示正弦奇零位误差，Δαcoi表示余弦奇零位误差，下标i表示第i个对极，具体算式如下：
S3，计算任一对极下的相对零位误差补偿量，并在当前输出角度中扣除，补偿零位误差对测角系统输出的影响，该计算依据下表公式：
其中，αd为测角系统精测通道输出的电角度，αd/m为电角度对应的机械角度。
S4，提供一具有q个面的第二多面棱体，用该第二棱体测试测角系统的综合误差序列，对该综合误差序列按照测试点精测输出值θf的大小排序，得到细分误差序列X0；以及
S5，依据所述精测输出值θf的大小在X0中线性插值得细分误差补偿量Δαf并在最终输出的角度θ中扣除，进行细分误差补偿，具体计算公式如下：
步骤S3中，所述αd范围为0°～360°。
步骤S4中，所述q为13、17、23或46。
具体实施例1基于多面棱体的感应同步器测角系统零位误差及细分误差测试(假定精测元件的极对数m为360)
1)测试系统准备。
依附图1所示，多面棱体通过工装安装到被测轴的轴端，自准直仪与被测轴系置于同一基座。调整自准直仪光轴与棱体轴心等高，转动被测轴，调节塔差至允许范围(≤100″)。
2)测试、计算4组1°间隔的相对零位误差。
a)采用72面棱体测试4组5°间隔的相对零位误差。以测角系统输出的0°为起点开始测试，此时自准直仪读数清零，记下自准直仪误差示数。之后，每次间隔5°(360°/72)向同一方向依次转动被测轴至棱体各面与自准直仪光轴近似垂直，记录每个位置的自准直仪误差示数。测完整周后由记录的自准直仪误差示数扣除棱体各面的校准误差，得到正弦绕组的偶零位相对误差数组Z0。分别以0.25°、0.5°、0.75°为起点依据上述流程测试整周，得到余弦绕组的偶零位相对误差数组Z1、正弦绕组的奇零位相对误差数组Z2及余弦绕组的奇零位相对误差数组Z3。
b)由Z0、Z1、Z2及Z3依式1插值计算4组1°间隔的相对零位误差，得任一对极下的4点相对零位误差(对于360对极系统，任一对极下的相对零位误差示意请参见图2)。
3)测试任一对极下的细分误差序列。安装23面棱体，以测角系统输出的0°为起点开始测试，此时自准直仪读数清零，记下自准直仪误差示数。之后，每次间隔15.652175°(360°/23)向同一方向依次转动被测轴至棱体各面与自准直仪光轴近似垂直，记录每个位置的自准直仪误差示数。测完整周后由记录的自准直仪误差示数扣除棱体各面校准误差后所得结果按照对应角度的小数部分(角度小数部分间隔为1°/23＝0.043 48°)排序得一个检测周期内等区间间隔的综合误差序列，记为X0，共24个点。若扣除综合误差中所包含的零位误差成分，该序列可作为任一对极下的细分误差序列。
实施例2基于多面棱体的感应同步器测角系统零位误差及细分误差测试基础上的误差补偿
1)零位误差计算及补偿。由式1计算得任一对极下的奇、偶零位误差后，按表1所示计算任一对极下不同区间由零位误差引起的误差补偿量Δαz，并在测角系统的当前采样角度中直接扣除，记扣除零位误差后的角度输出为θ1。假设测角系统当前采样角度为234.8710°，则表1中的计算序号i＝234。
表1计算误差补偿量Δαz
2)细分误差计算及补偿。依步骤1)所示补偿零位误差的影响后，取角度θ1的小数部分，依据其大小在X0中线性插值得细分误差补偿量Δαf并在最终输出的角度中扣除。具体计算如下：
零位误差引起的细分误差成分是影响感应同步器测角系统不同对极细分误差重复性的主要因素，先测补该成分，减小零位误差的影响，再处理剩余细分误差，才可能实现基于棱体方式的误差测补。
图3～图6为以本说明书所述的补偿方法(图中对应方法A)及其他基于棱体测试数据的补偿方法(图中对应方法B)对一360对极感应同步器测角系统进行误差补偿的效果比对。测试时，综合误差测试起点为0°。图3至图6中，因零位误差的影响，不同起点测得的原始综合误差曲线差异显著。用于细分误差插值补偿的X0误差序列及图3所示补后误差均以0°为起点测得，误差标本及补后检验数据的采样点相同，所以图5中两种方法均表现出好的补偿效果。图4至图6为偏开一定角度重新检验的结果。方法B零位误差扣除不充分，所测综合误差序列中含大量零位误差成分，不同对极剩余误差的重复性差，全局补偿效果差。方法A零位误差剔除相对充分，具有较好的全局补偿效果。
图3至图6中不同曲线的最大误差峰峰值参考表2。方法B补后最大误差9.4″p-p，方法A补后最大误差2.9″p-p，方法A的全局补偿效果优于方法B。
表2不同起点检测的最大误差峰峰值(″)
应用本发明所示方法进行感应同步器测角系统误差测补，具有较好的全局补偿效果，解决了其他应用多面棱体测补的方法仅在误差标本采样点有补偿效果，在非采样点无效的问题。该方法采用具有更广泛工程适用性的多面棱体实现了稀疏采样条件下感应同步器测角系统误差的有效测试及补偿，具有较强的工程应用价值。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (8)
1.一种测角系统零位误差测试方法，该测角系统包括感应同步器或旋转变压器，所述感应同步器或旋转变压器包括精测元件，所述精测元件的对极数为m，该方法包括以下步骤：
S1，提供一具有n个面的第一多面棱体，分别以所述精测元件正、余弦绕组在同一对极下的四个奇、偶零位为起点，测试整周得到角度间隔为360°x/n的四组正、余弦绕组奇、偶零位的相对误差，分别计为正弦绕组的偶零位相对误差数组Z0、余弦绕组的偶零位相对误差数组Z1、正弦绕组的奇零位相对误差数组Z2及余弦绕组的奇零位相对误差数组Z3，其中，所述正弦绕组的偶零位相对误差数组Z0包括n/x个数据元素，数组元素记为Z0j，j＝0,1,2,…,n/x，所述余弦绕组的偶零位相对误差数组Z1的数组元素记为Z1j，所述正弦绕组的奇零位相对误差数组Z2的数组元素记为Z2j，所述余弦绕组的奇零位相对误差数组Z3的数组元素记为Z3j，所述x为正整数，表示对于选定的对极数m及棱体面数n，测试时需隔x－1个棱体面测试一点零位误差值，所述x与m、n的关系如下表格所示：
；
以及
S2，基于所述四组相对误差，用线性插值的方法计算所述精测元件所有对极下的4点相对零位误差△αsei、△αcei、△αsoi、△αcoi，其中，△αsei表示正弦偶零位误差，△αcei表示余弦偶零位误差，△αsoi表示正弦奇零位误差，△αcoi表示余弦奇零位误差，下标i表示第i个对极，具体算式如下：
2.如权利要求1所述的测角系统零位误差测试方法，其特征在于，步骤S1中，所述n为24、36、72或144。
3.如权利要求2所述的测角系统零位误差测试方法，其特征在于，所述m为180、360或720。
4.一种测角系统的综合误差补偿方法，该测角系统由感应同步器或旋转变压器组成，所述感应同步器或旋转变压器包括精测元件，所述精测元件对极数为m，该方法包括以下步骤：
S1，提供一具有n个面的第一多面棱体，分别以所述精测元件正、余弦绕组在同一对极下的四个奇、偶零位为起点开始测试，其中，第i个对极下精测元件正弦绕组的偶零位角度为i×360°/m、余弦绕组的偶零位角度为(i+0.25)×360°/m、正弦绕组的奇零位角度为(i+0.5)×360°/m、余弦绕组的奇零位角度为(i+0.75)×360°/m，测试整周得到角度间隔为360°x/n的四组正、余弦绕组奇、偶零位的相对误差，分别计为正弦绕组的偶零位相对误差数组Z0、余弦绕组的偶零位相对误差数组Z1、正弦绕组的奇零位相对误差数组Z2及余弦绕组的奇零位相对误差数组Z3，其中，所述正弦绕组的偶零位相对误差数组Z0包括n/x个数据元素，数组元素记为Z0j，j＝0,1,2,…,n/x，所述余弦绕组的偶零位相对误差数组Z1的数组元素记为Z1j，所述正弦绕组的奇零位相对误差数组Z2的数组元素记为Z2j，所述余弦绕组的奇零位相对误差数组Z3的数组元素记为Z3j，所述x为正整数，表示对于选定的对极数m及棱体面数n，测试时需隔x－1个棱体面测试一点零位误差值，所述x与m、n的关系如下表格所示：
；
以及
S2，基于所述四组相对误差，用线性插值的方法计算所述精测元件所有对极下的4点相对零位误差△αsei、△αcei、△αsoi、△αcoi，其中，△αsei表示正弦偶零位误差，△αcei表示余弦偶零位误差，△αsoi表示正弦奇零位误差，△αcoi表示余弦奇零位误差，下标i表示第i个对极，具体算式如下：
S3，计算任一对极下的相对零位误差补偿量，并在当前输出角度中扣除，补偿零位误差对测角系统输出的影响，该计算依据下表：
，
其中，αd为测角系统精测通道输出的电角度，αd/m为电角度对应的机械角度；
S4，提供一具有q个面的第二多面棱体，用该第二多面棱体测试测角系统的综合误差序列，对该综合误差序列按照测试点精测输出值θf的大小排序，得到细分误差序列X0；以及
S5，依据所述精测输出值θf的大小在X0中线性插值得细分误差补偿量△αf并在最终输出的角度θ中扣除，进行细分误差补偿，具体计算公式如下：
5.如权利要求4所述的测角系统的综合误差补偿方法，其特征在于，步骤S1中，所述n为24、36、72或144。
6.如权利要求5所述的测角系统的综合误差补偿方法，其特征在于，所述m为180、360或720。
7.权利要求4所述的测角系统的综合误差补偿方法，其特征在于，步骤S3中，所述αd范围为0°～360°。
8.权利要求7所述的测角系统的综合误差补偿方法，其特征在于，步骤S4中，所述q为13、17、23或46。
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