CN110595507B

CN110595507B - 一种多功能速度测试方法

Info

Publication number: CN110595507B
Application number: CN201910888476.6A
Authority: CN
Inventors: 黄国松; 任莎莉; 李宏; 钱颖; 刘熙文
Original assignee: Chongqing Huayu Electric Instrument Group Co Ltd
Current assignee: Chongqing Huayu Electric Instrument Group Co Ltd
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2039-09-19
Also published as: CN110595507A

Abstract

本发明公开了一种多功能速度测试方法，包括以下步骤：1）将伺服电机和旋转变压器均固定在安装壳体内，旋转变压器与伺服电机轴连接，通过安装壳体一侧的固定件连接外部载体的转轴，启动外部载体，外部载体的转轴带动安装壳体整体转动；2）断开伺服电机，MCU以第一方波为输出信号，并产生励磁信号触发旋转变压器，通过第一定时器对多通道AD采样模块定时采集旋转变压器的数据并传给MCU，经MCU计算获得安装壳体整体的速度和角速度并上传至上位机；3）改变MCU发送的第二方波的占空比，使得伺服电机转动；4）根据多通道AD采样模块反馈的转动角度累加量调整第二方波的占空比，直至调整正确后，停止转动。

Description

一种多功能速度测试方法

技术领域

本发明涉及惯性器件测试及应用技术的技术领域，具体涉及一种多功能速度测试方法。

背景技术

惯性导航的核心元件是加速度计和陀螺仪，利用传感器的测量信息可计算出载体的姿态、速度、位置等导航参数。但是，在惯性导航领域，我们通常需要建立一个不同的速度大小、精度、误差的速度模型来为惯性导航设备组合速度做一些试验验证。

为此，我们通常会安装GPS或者里程计，通过提取相应的速度来表示当前载体运动速度。然而，由于航空、航海等复杂的环境下，所需要的速度并不是绝对准确的，而GPS或者里程计能够提供非常准确的速度，使得GPS或者里程计无法模拟出复杂环境下的载体运动速度，即使在GPS或者里程计上人为加上白噪声，也不能真实的反应载体速度误差情况，同时，也不能良好地在试验中反应出一些规律。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种获取载体转动速度、转动方向以及转动角度等数据，为惯性导航设备速度试验提供支持的多功能速度测试方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种多功能速度测试方法，包括以下步骤：

1）将伺服电机和旋转变压器均固定在安装壳体内，旋转变压器与伺服电机轴连接，通过安装壳体一侧的固定件连接外部载体的转轴，固定件与伺服电机相连接，启动外部载体，外部载体的转轴带动固定件和伺服电机转动；

2）断开伺服电机，MCU以第一方波为输出信号，并产生励磁信号触发旋转变压器，第一方波再返回至MCU作为外部中断信号，触发MCU内第一定时器，通过第一定时器对多通道AD采样模块定时采集旋转变压器的数据并传给MCU，经MCU计算获得外部载体的速度和角速度并上传至上位机或惯性导航设备；

3）连接伺服电机至电机驱动模块输出端，上位机对MCU下发速度给定值，改变MCU发送的第二方波的占空比，使得伺服电机转动，并触发第二定时器，使得第二定时器对多通道AD采样模块进行计时，通过多通道AD采样模块获得伺服电机的转动角度累加量，并计算出预计速度，预计速度与速度给定值进行对比，并反馈至MCU以确认速度给定值是否准确；

4）根据多通道AD采样模块反馈的转动角度累加量调整第二方波的占空比，直至达到指定角度后，停止转动。

名词说明：

1、旋转变压器是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成；其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、3000及5000HZ等；转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。

2、MCU为单片机，是把中央处理器的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机。

进一步，在步骤1）中，所述安装壳体内设置有用于固定伺服电机的固定座，所述固定座内设置有轴承，所述轴承均布在所述伺服电机的转轴前后端。由于伺服电机的转轴在转动过程中，会出现摩擦力过大而卡死的情况，因此，采用提高零件的表面加工精度减少零件装配的摩擦，且伺服电机的转轴前后端装有轴承保证转动灵活，且前后端都有固定座保证转动时位置不变。

进一步，在步骤2）中，MCU根据采集的外部载体运动速度构建速度误差模型，并在MCU进行编程。

进一步，在步骤2）中，MCU所获得外部载体的速度和角速度通过串口发送至上位机或惯性导航设备或惯性导航设备，且通过多种通讯模式向外传输信息。

进一步，在步骤2）中，上位机根据所获得外部载体的速度和角速度绘出合成的实时速度信息并保存数据。

进一步，在步骤3）中，通过励磁信号转换模块产生正弦波作为旋转变压器的励磁信号。

进一步，在步骤4）中，第二方波通过电机驱动模块的极性可变直流电压控制伺服电机转动，使得旋转变压器产生正、余弦信号输入至多通道AD采样模块，在第一定时器开启下，并与多通道AD采样模块相配合，获得伺服电机的速度和角速度。

进一步，电机驱动模块的输出端为-28v至+28v的电压。

进一步，在步骤3）中，第二方波初始状态为50%的占空比，使得伺服电机静止。

进一步，在步骤3）中，上位机下发速度给定值为转动速度、转动方向以及转动角度，改变第二方波的占空比，从而改变电机驱动模块输出端直流电压的大小以及极性的目的，改变伺服电机的转动状态。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明在断开伺服电压的情况下，将安装壳体的固定件与外部载体的转轴相连接，通过采样、计算得到转动速度并发送至上位机或惯性导航设备，且以需要的协议、格式发送给需求方；在连接伺服电压的情况下，通过上位机指令达到任意角度、匀速、变速旋转的目的，为我们一些试提供支持。

2、本发明针对于转动角度的控制，在软件上根据转动过程中当前的角度量进行了多次减速设计，调整参数，使其能够在最大转动速度之下的任何速度工作下误差保持一致，不随时间累加，能够准确的实现停止。

3、本发明针对于转轴与安装壳体之间会由于摩擦力过大而卡死，为了避免该情况的发生，采用提高零件的表面加工精度减少零件装配的摩擦，且转轴前后端装有轴承保证转动灵活，且前后端都有固定座保证转动时位置不变。

附图说明

图1为本发明多功能速度测试方法框架图。

图2为多功能速度测试方法中测试装置的示意图。

图3为多功能速度测试方法的流程图。

图中：安装壳体1、固定件2、伺服电机3、第一轴承4、第二轴承5、旋转变压器6、固定座7。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

本实施例：参见图1-图3，一种多功能速度测试方法，包括以下步骤：

1）将伺服电机3和旋转变压器6均固定在安装壳体1，旋转变压器6与伺服电机3轴连接，安装壳体1内设置有固定座7，固定座7内设置有第一轴承4和第二轴承5，第一轴承4与第二轴承5分布在伺服电机3的转轴前后端，因此，伺服电机3的转轴在转动过程中，会出现摩擦力过大而卡死的情况，因此，采用提高零件的表面加工精度减少零件装配的摩擦，且伺服电机3的转轴前后端装有第一轴承4和第二轴承5保证转动灵活，且前后端都有固定座7保证转动时位置不变。

伺服电机3的转轴上设置有呈半圆形的通孔，旋转变压器6的转轴插入通孔，旋转变压器6的转轴呈半圆柱，使用时通过伺服电机3的转轴带动旋转变压器6转动，使得旋转变压器6的转轴与通孔卡紧连接，防止旋转变压器6的转轴打滑。

安装壳体1侧面设置有固定件2，固定件2可采用卡槽等方式，通过固定件2连接外部载体，启动外部载体，外部载体的转轴带动固定件2和伺服电机3转动。其中，外部载体可一直运动着的，待本发明装置通电后，就可开始对外部载体进行采集；在本发明装置通电时，如外部载体不转动时，所采集到的值为0，角度累加量为0。

2）断开伺服电机3，MCU以第一方波为输出信号，通过励磁信号转换模块产生正弦波作为旋转变压器6的励磁信号，并输入至旋转变压器6的原边输入端，启动旋转变压器，第一方波再返回至MCU作为外部中断信号，触发MCU内第一定时器，将第一方波当作一个多通道AD采样模块采样时的信号，这样的优点在于：可以把这个中断延迟一定的时间（ms级延迟），使得采样的时候恰好是采样的正弦波、余弦波的波峰。

再通过第一定时器对多通道AD采样模块定时采集旋转变压器的数据并传给MCU，经MCU计算获得外部载体的速度和角速度并通过串口发送上传至上位机或惯性导航设备，这样的优点在于：传给上位机是为了自己观测，传给惯性导航设备是因为惯性导航设备需要这个速度工作，这样更加直观。

MCU根据采集的外部载体运动速度构建速度误差模型，并在MCU进行编程，上位机再根据所获得外部载体的速度和角速度绘出合成后的实时速度信息并保存数据；还可以通过多种通讯模式向外传输至需求方。

说明：1）和2）是组成本发明的第一个功能，采集外部载体速度，在采集之前，需要断开伺服电机3，这样设计，就是为了避免外部载体强制转时，烧芯片；而外部载体速度是载体自己决定的，只需采集这个速度，通过编程对该速度建立速度误差模型，然后把合成的速度通过串口、CAN口或者网口的方式传递给惯性导航设备，用于惯性导航设备组合导航。

当第一方波发出来的时候，一分为二，一路给励磁信号转换模块产生正弦波，一路做外部中断给MCU，这个时候就开始采集了，第一定时器也开始计时了，有了多通道AD采样模块后算出的角度以及第一定时器的时间，最后计算得到速度值。

3）连接伺服电机3至电机驱动模块输出端，通过上位机对MCU下发速度给定值，改变MCU发送的第二方波的占空比，使得伺服电机3转动，并触发第二定时器，第二定时器对多通道AD采样模块采集进行计时，通过多通道AD采样模块获得伺服电机3的转动角度累加量，并计算出预计速度，预计速度与速度给定值进行对比，并反馈至MCU以确认速度给定值是否准确。

第二方波通过电机驱动模块的极性可变直流电压控制伺服电机3转动，使得旋转变压器6产生正、余弦信号输入至多通道AD采样模块，在第一定时器开启下，并与多通道AD采样模块相配合，获得伺服电机3的速度和角速度。

另外，第二方波初始状态为50%的占空比，使得伺服电机3静止，当上位机下发速度给定值为转动速度、转动方向以及转动角度，改变第二方波的占空比，从而改变电机驱动模块输出端直流电压的大小以及极性的目的，改变伺服电机3的转动状态。

而电机驱动模块的输出端为-28v至+28v的电压，这个电压由电压转化模块提供，电压转化模块电连接AC/DC电源模块，通过开关启动AC/DC电源模块，并驱动伺服电机3转动，正向电压就正转，反向电压就反转，当上位机下发速度给定值后，改变第二方波占空比就会导致电压变化，电压一变，电机就会根据电压的大小而转动得快与慢，电压越大就越快。

说明：3）和4）组成本发明的第二个功能，需要连接伺服电机3，当本发明装置通电时，MCU会初始化，就会把第二方波占空比调整为50%，当上位机下发速度给定值，MCU收到指令后就改变第二方波的占空比，占空比改变，则电机驱动模块两端的电压就改变了，则电机转动，连接着的旋转变压器转轴以及对外的固定件就会跟着转动，可以带动外部载体转动。这个功能主要是为了以不同的速度转动外部载体。

其次，发明人在第一次测试本发明装置时，发现上位机下发指令的速度值和多通道AD采样模块算出的速度值不一致，为了解决该问题，发明人通过第二定时器对多通道AD采样模块采集进行计时，在调试本发明装置的程序，这样，根据多通道AD采样模块和第二定时器定时算出真实的速度值。

4）根据多通道AD采样模块反馈的转动角度累加量调整第二方波的占空比，直至调整正确后，当需要实现指定转动角度（圈数）时，可根据AD采样反馈的角度累加量来实时调整第二方波的占空比，在上机位上做多级减速设计，确保能及时停止。

举例说明：如上位机发送的值为100°/s，MCU程序中给定了70%的第二方波占空比，这个时候安装壳体整体开始转动，多通道AD采样模块采集速度为80°/s，并反馈给了上位机，我们就知道了80°/s才和70%占空比匹配，那么我们就可以在MCU修改一下程序，当收到上位机发送的值为80°/s时，程序设定第二方波占空比为70%，这样就对应上了。找好对应关系，我们就可以用上位机发多大值，实际就多大速度去转动。

在MCU的程序中，我们会根据上位机发送的要求转动的角度值来做处理，当转到这个角度后就停止转动。（例子：上位机发送：正转+80°/s+3600000°，则就会以正转方向，80°/s的速度转动，直到转满3600000°后停止）。

整个速度测试中，有两个定时器，第一定时器是伴随多通道AD采样模块调整采样点时刻；第二定时器是针对驱动电机转动时测量速度过程中进行计时，用来调整上位机发送的速度值大小是否和真正的转动速度是否对应得上，以调好匹配关系为目的。

针对于转动角度的控制，在软件上根据转动过程中当前的角度量进行了多次减速设计，调整参数，使其能够在最大转动速度之下的任何速度工作下误差保持一致，不随时间累加，能够准确的实现停止。

在断开伺服电压的情况下，将安装壳体1的固定件2与外部载体的转轴相连接，通过采样、计算得到转动速度并发送至上位机或惯性导航设备，且以需要的协议、格式发送给需求方；在连接伺服电压的情况下，通过上位机指令达到任意角度、匀速、变速旋转的目的，为我们一些试验提供支持。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种多功能速度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

MCU根据采集的外部载体运动速度构建速度误差模型，并在MCU进行编程，MCU所获得外部载体的速度和角速度通过串口发送至上位机或惯性导航设备，或通过多种通讯模式向外传输信息，上位机根据所获得外部载体的速度和角速度绘出合成实时速度信息并保存数据；

2.根据权利要求1所述的多功能速度测试方法，其特征在于，在步骤1）中，所述安装壳体内设置有用于固定伺服电机的固定座，所述固定座内设置有轴承，所述轴承均布在所述伺服电机的转轴前后端。

3.根据权利要求1所述的多功能速度测试方法，其特征在于，在步骤2）中，在步骤2）中，通过励磁信号转换模块产生正弦波作为旋转变压器的励磁信号。

4.根据权利要求1所述的多功能速度测试方法，其特征在于，在步骤3）中，第二方波通过电机驱动模块的极性可变直流电压控制伺服电机转动，使得旋转变压器产生余弦信号输入至多通道AD采样模块，在第一定时器开启下，并与多通道AD采样模块相配合，获得伺服电机的速度和角速度。

5.根据权利要求4所述的多功能速度测试方法，其特征在于，电机驱动模块的输出端为-28v至+28v的电压。

6.根据权利要求1所述的多功能速度测试方法，其特征在于，在步骤3）中，第二方波初始状态为50%的占空比，使得伺服电机静止。

7.根据权利要求1所述的多功能速度测试方法，其特征在于，在步骤3）中，上位机下发速度给定值为转动速度、转动方向以及转动角度，改变第二方波的占空比，从而改变电机驱动模块输出端直流电压的大小以及极性，改变伺服电机的转动状态。