CN109405790B - 一种用于伺服传动系统的角度测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种用于伺服传动系统的角度测量方法和系统，其中，该方法的步骤包括：获取伺服传动系统旋转数据；根据相邻两传动通道的旋变比，确定相邻两通道输出数据数字位的对应关系和数字位对应的理论角度值；对所述理论角度值进行纠错修正，获得伺服传动系统的实际角度值。本申请所述技术方案适用于任何具有数字处理功能的精密伺服传动系统，由于采用多通道多级传感器结构，通过数字测角方案进行多通道之间的数据融合和数据纠错，得到高精度测角数据，可以广泛应用于高精密伺服传动系统中。

Description

一种用于伺服传动系统的角度测量方法和系统

技术领域

本申请涉及精密伺服系统测量领域，特别涉及采用多通道多级传感器结构，通过数据处理，实现高精度角度测量，适用于所有需要高精度角度数据的角度测量方法和系统

背景技术

随着航天技术的发展及现代战略战术武器性能的提高，对惯性测试转台设备和雷达伺服系统等提出了更高的精度要求。高精度伺服系统需要高精度的角度测量装置获取位置反馈以完成闭环控制。高精度的传感器在工程上实现难度大，且成本较高。工程应用中的角度传感器一般有旋转变压器、光电码盘、自整角机等，其中旋转变压器和光电码盘在工程应用中较为普遍。但高精度的旋转变压器和光电码盘生产厂家少，且成本较高，在系统集成时对装配工艺和装配人员的要求较高。同时，随着微电子技术不断进步，数字控制器性能不断提高，简单的数字控制器已经可以实现较为复杂的数据处理任务。

发明内容

为解决上述问题之一，本申请提供了一种用于伺服传动系统的角度测量方法和系统。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种用于伺服传动系统的角度测量方法，该方法的步骤包括：

获取伺服传动系统旋转数据；

根据相邻两传动通道的旋变比，确定相邻两通道输出数据数字位的对应关系和数字位对应的理论角度值；

对所述理论角度值进行纠错修正，获得伺服传动系统的实际角度值。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种用于伺服传动系统的角度测量系统，该系统包括：

设置在每个传动级上的传感器，获取伺服传动系统旋转数据；

数据处理模块，根据相邻两传动通道的旋变比，确定相邻两通道输出数据数字位的对应关系和数字位对应的理论角度值；

纠错模块，对所述理论角度值进行纠错修正，获得伺服传动系统的实际角度值。

本申请所述技术方案适用于任何具有数字处理功能的精密伺服传动系统，由于采用多通道多级传感器结构，通过数字测角方案进行多通道之间的数据融合和数据纠错，得到高精度测角数据，可以广泛应用于高精密伺服传动系统中。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出本方案所述具有多通道多级传感器的伺服传动系统的示意图；

图2示出本方案所述角度测量系统的示意图；

图3示出本方案所述纠错算法中的分区方案的示意图；

图4示出本方案所述纠错算法的示意图；

图5示出本方案所述角度测量方法的示意图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本方案的核心思路是采用多通道多级传感器结构的方式，通过高频同步数据采样和后期数据处理，实现了高精度角度测量，支撑工程应用。

如图2和图5所示，本方案公开了一种基于多通道多级传感器结构的角度测量方法和系统。该方案可用于任意精密伺服传动系统。具体的方案如下：

为了完成伺服系统的闭环控制，一般需要伺服系统末级的角度信息作为位置反馈来完成闭环控制。传统的高精度传感器一般安装在伺服系统末级，直观的反馈末级角度。而本方案如图1所示，采用多通道上分别设置传感器的形式对精密伺服传动系统进行数据采集。图例中传感器的通道数为N，级数也为N。中间级1的传动齿轮与末级转盘齿轮啮合，中间级N的传动齿轮与中间级N-1的传动齿轮啮合。每一级均有一个单极的角度传感器与传动齿轮同轴转动。在设计时需要尽量减小传动齿轮间的齿隙，有利于提高精度。考虑到数据处理的最小单元是一个数据位，所以，尽量保证传动齿轮的齿数比例为2的倍数，一般采用32：1或者16：1的减速比。

本方案所述角度测量系统包括：设置在每个传动级上的传感器、数据处理模块和纠错模块。本实例中，所使用的传感器为旋转变压器。数据处理模块和纠错模块作为本方案核心部分，如图2所示，采用通过电子器件搭建的数字测角板来实现的数据处理和纠错功能。该数字测角板采用标准6U高度的CPCI插板结构，通过PCI9052桥芯片接入PCI总线中；核心计算芯片选用Altera公司的CycloneⅣ系列的EP4CE15F484型FPGA，该FPGA具有15408个逻辑单元，343个功能引脚，56个18bits×18bits的乘法器，具有504Kbits的内部存储空间。该芯片作为主要数据处理芯片，进行角度采样、数据融合、组合纠错和模拟量采样、谐波分析等数据处理工作。角度转换电路选用RD19230结算芯片构成N路转换通道，完成N个通道单极旋变的角度转换。采用模数转换器AD620和模数转换器AD7891进行激磁电源和旋变反馈信号的模拟数字转换。通过MAX3491型电路扩展RS422调试串口，并扩展8路差分输入信号和16路差分输出信号，用于对外通信。FPGA运行时钟频率较高，可以在很短时间内实现对N个通道的旋转变压器的角度采集。

本实例以变比为1：32的相邻通道旋变为例，对数据组合算法进行描述。由于前级旋变转速高，角度精度低，称为粗通道，后级旋变转速低，角度精度高，称为精通道。旋变转子相对定子旋转一周，粗通道输出360°角度区域，而精通道输出32个完整周期的360°角度区域。精通道角度区域的每个周期对应粗通道11.25°(360°/32)的角度区域。所以精通道输出的16位角度数据的最高位Q1对应粗通道输出的16位角度数据的低6位(从最高位开始计数)P6。而精通道角度输出数据比粗通道角度输出数据的精度高，故在组合时用精通道16位角度数据替换粗通道低11位数据(P6-P16)。解码后的粗、精数字位的对应关系以及各个数字位代表的角度值如表1所示。

表1粗、精数字位的对应关系

不同极数的旋变所对应的组合方式相似，只是替换的数据位有差异，具体方式如表2所示。工程实现时，考虑到测角回路的误差和干扰等，精度会低于理论值。

表2不同极数的旋变所对应的粗精组合方式

极数	最大跟踪速度	粗极位数	精极位数	分辨率位数	精度(角秒)
						1：8	18rps	3	16	19	9.88角秒
1：16	18rps	4	16	20	4.94角秒
						1：32	18rps	5	16	21	2.47角秒
1：64	72rps	6	16	22	1.23角秒
						1：128	72rps	7	16	23	0.61角秒

本实施例中，结合上述1:32的相邻通道旋变为例进一步对纠错算法进行描述。

数据组合算法的设计是在理想情况下得到的。但对于实际的工程应用，旋转变压器在生产制造和安装装配的过程中难免会引入误差。当传动机构带动旋变转动时，粗码盘和精码盘之间存在传动误差、多极旋转变压器误差、轴角变换误差以及数据读取的不同步等不良的影响，因此，对于FPGA最终获取到的粗精通道的数字角无法理想配合。而这种误差主要体现在精通道过零时，粗精通道数字角数据在过零时机上的不同步，并导致最终合成的角度会出现较大的角度跳变。如图3所示，当粗轴每次经过11.25°的倍数点时，精轴同步过零精轴在每个过零点(从360°度到下一个0°)时，粗轴在此刻不一定落在粗轴边界线(0°，11.25°，22.5°……360°)上，有可能落在边界线上下，这样就会导致粗轴高5位P1～P5可能有短暂的大误差(11.25°)。因此必须对解码后的粗、精轴数字角进行组合纠错。

如图3所示，将精通道区间进行细分，在采样频率足够高的情况下，可以将区间细分成更多的份数，并且只在零点两侧的区间内对组合数据进行纠错，以减少程序判断处理的频率。本设计中，采样频率设置为20kHz，将区间等分为八份，在区间1和区间8运行纠错处理程序。当精通道在区间1时，精通道高三位Q1～Q3的值在“000”到“001”之间；当精通道在区间8时，精通道高三位Q1～Q3的值在“110”到“111”之间。可以根据Q1～Q3的值来判断精通道所在区间的变化情况。

当精通道处于区间1时，读取粗通道输出数据P6～P8的值，如果为“000”，说明粗通道已经调转到区间1，粗精通道数据同步，不需要进行纠错，可以直接组合；如果粗通道输出数据P6～P8的值为“111”，说明粗通道还保持在区间8，需要给粗通道P1～P5数据加1进行纠错，之后可以进行数据组合。

当精通道处于区间8时，读取粗通道输出数据P6～P8的值，如果为“111”，说明粗通道已经调转到区间8，粗精通道数据同步，不需要进行纠错，可以直接组合；如果粗通道输出数据P6～P8的值为“000”，说明粗通道还保持在区间1，需要给粗通道P1～P5数据减1进行纠错，之后可以进行数据组合。

当精通道旋转到区间1和区间8以外时，不会出现零点不同步问题，无需对组合数据进行纠错。

上述纠错算法可以采用Verilog编程语言进行组合纠错模块的程序编写，纠错算法的流程图如图4所示。在程序开始的Initial段(首字段)对定义的寄存器进行初始化，建立20kHz采样定时器并启动计时，采样时刻到来后，读取粗精通道的输出数据P[1:16]和Q[1:16]。对采样的数据，提取Q[1:3]和P[6:8]建立状态机，通过状态机方式进行数据处理。

综上所述，本方案可适用于任何具有数字处理功能的精密伺服系统，采用多通道多级传感器结构，通过数字测角板进行多通道之间的数据融合和数据纠错，得到高精度测角数据，可以广泛应用于高精密伺服系统中。

本方案中，上述时间统计方法可以通过电子设备实现其统计功能，所述电子设备包括：存储器，一个或多个处理器；存储器与处理器通过通信总线相连；处理器被配置为执行存储器中的指令；所述存储介质中存储有用于执行如上所述方法中各个步骤的指令。该方法还可以记载于计算机可读存储介质中，通过计算机可读存储介质上存储有计算机程序实现时间统计功能，该程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种用于伺服传动系统的角度测量方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

获取伺服传动系统旋转数据；

根据相邻两传动通道的旋变比，确定相邻两通道输出数据数字位的对应关系和数字位对应的理论角度值；

对所述理论角度值进行纠错修正，获得伺服传动系统的实际角度值，步骤包括：

将精通道区间划分为n个子区间；

利用精通道的高三位的值判断精通道所在区间；

当精通道处于区间1时，判断粗通道是否转至区间1，若是，则粗通道和精通道进行数据同步；若否，则对粗通道数据加1进行纠错，再和精通道进行数据同步；

当精通道处于区间n时，判断粗通道是否转至区间n，若是，则粗通道和精通道进行数据同步；若否，则对粗通道数据减1进行纠错，再和精通道进行数据同步。

2.根据权利要求1所述的角度测量方法，其特征在于，所述根据相邻两传动通道的旋变比，确定相邻两通道输出数据数字位的对应关系和数字位对应的角度值的步骤包括：

根据相邻两传动通道的旋变比1：32，将转速高的一级作为粗通道，将转速低的一级作为精通道，且精通道角度区域的每个周期对应粗通道360°/32的角度区域；

精通道输出的16位角度数据的最高位对应粗通道输出的6位角度数据的低Z位；

利用精通道的16位角度数据替换粗通道低11位数据。

3.根据权利要求1所述的角度测量方法，其特征在于，仅在零点两侧的区间内对数据进行纠错。

4.根据权利要求1所述的角度测量方法，其特征在于，所述对所述理论角度值进行纠错修正，获得伺服传动系统的实际角度值的步骤还包括：

当精通道旋转到区间1和区间n以外时，不进行数据纠错。

5.一种用于伺服传动系统的角度测量系统，其特征在于，该系统包括：

设置在每个传动级上的传感器，获取伺服传动系统旋转数据；

数据处理模块，根据相邻两传动通道的旋变比，确定相邻两通道输出数据数字位的对应关系和数字位对应的理论角度值；

纠错模块，对所述理论角度值进行纠错修正，获得伺服传动系统的实际角度值，步骤包括：

将精通道区间划分为n个子区间；

利用精通道的高三位的值判断精通道所在区间；

当精通道处于区间1时，判断粗通道是否转至区间1，若是，则粗通道和精通道进行数据同步；若否，则对粗通道数据加1进行纠错，再和精通道进行数据同步；

当精通道处于区间n时，判断粗通道是否转至区间n，若是，则粗通道和精通道进行数据同步；若否，则对粗通道数据减1进行纠错，再和精通道进行数据同步。

6.根据权利要求5所述的角度测量系统，其特征在于，所述数据处理模块具体执行如下步骤：

根据相邻两传动通道的旋变比1：K，将转速高的一级作为粗通道，将转速低的一级作为精通道，且精通道角度区域的每个周期对应粗通道360°/K的角度区域；

精通道输出的X位角度数据的最高位Y对应粗通道输出的X位角度数据的低Z位；

利用精通道的X位角度数据替换粗通道低W位数据。

7.根据权利要求5所述的角度测量系统，其特征在于，所述纠错模块仅在零点两侧的区间内对数据进行纠错。

8.根据权利要求5所述的角度测量系统，其特征在于，所述纠错模块还执行如下步骤：当精通道旋转到区间1和区间n以外时，不进行数据纠错。

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