CN111077777A - 双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法 - Google Patents

双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法 Download PDF

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CN111077777A CN201911298663.5A CN201911298663A CN111077777A CN 111077777 A CN111077777 A CN 111077777A CN 201911298663 A CN201911298663 A CN 201911298663A CN 111077777 A CN111077777 A CN 111077777A
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孙拓
朱猛
李翔宇
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Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics
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Abstract

本发明涉及一种双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其中，包括：长周期测角误差补偿包括：进行双通道旋变长周期误差采集；判断0°与360°处测角误差值计算得出双通道旋变回零情况；进行长周期测角误差拟合与补偿使用最小二乘法，对数据处理后长周期测角误差数据进行拟合，得到长周期测角误差模型，对24面体棱镜进行自准直仪标定，如标定结果满足长周期测角误差指标，则长周期测角误差补偿结束；进行短周期测角误差补偿，双通道旋变短周期误差采集，使用最小二乘法，对数据处理后短周期测角误差数据进行拟合，选取拟合阶数为三阶，如24点双通道旋变短周期测角误差数据满足短周期测角误差指标，则短周期测角误差补偿结束。

Description

双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法
技术领域
本发明涉及双通道旋转变压器测角技术，特别涉及双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法。
背景技术
双通道旋变目前发展较快，在小型化的前提下可以选取到精度适较高的产品，且环境适应性较好，能够在复杂环境下可靠工作，适用于伺服控制系统的位置闭环反馈。经过出厂标定的双通道旋变的测角误差能够达到指标要求，然而在实际系统中，双通道旋变的测角输出较出场指标仍有一定误差，原因概括主要包含两方面：旋变安装误差以及测角电路噪声。
在现有的技术中，主要采用的是RDC测角标定补偿方法(文献1：李声晋,周奇勋,卢刚.一种旋转变压器-RDC测角系统的数字标定及补偿方法的方法[J].微特电机,2007,(6):26-28)。其具体方法描述如下：
1搭建RDC测角电路，通过旋变输出与编码器测角输出进行比较得出误差点，从而绘制出误差曲线。
2误差曲线可以计算出测角系统对电机转轴任何位置的角度误差，将转轴位置与角度误差绘制成一张误差补偿表。
3误差补偿表嵌入伺服系统数字控制器，根据测角系统的测量值查出相应的误差补偿值，得到电机转轴的真实位置为测量值与误差补偿值的代数和。
该方法针对中低精度旋变进行补偿，误差点选取并未做特殊设计，无法涵盖测角误差中高次谐波分量。误差曲线绘制方法仅为两点平均法，误差较大。文献一中测角精度经过补偿后仅到达3’，针对精度10”量级双通道旋变的测角误差该方法并不适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，用于解决在实际应用中，双通道旋变的实时测角由于轴系安装误差大，解角电路噪声过大等问题，极大的降低了测角精度的问题。
本发明一种双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其中，包括：长周期测角误差补偿包括：进行双通道旋变长周期误差采集；判断0°与360°处测角误差值计算得出双通道旋变回零情况，两处测角误差差值小于期望定位精度的1/3，判断为双通道旋变回零，反之则判断为不回零，如双通道旋变不回零，则需重新采集旋变长周期误差，直至检测回零满足精度要求；进行长周期测角误差拟合与补偿使用最小二乘法，对数据处理后长周期测角误差数据进行拟合，选取拟合阶数为三阶，得到长周期测角误差模型，将长周期误差模型带入控制程序后，重新进行双通道旋变长周期误差采集，对24面体棱镜进行自准直仪标定，如标定结果满足长周期测角误差指标，则长周期测角误差补偿结束；进行短周期测角误差补偿，双通道旋变短周期误差采集，使用最小二乘法，对数据处理后短周期测角误差数据进行拟合，选取拟合阶数为三阶，得到短周期测角误差模型将短周期误差模型带入控制程序后，重新进行双通道旋变短周期误差采集，如24点双通道旋变短周期测角误差数据满足短周期测角误差指标，则短周期测角误差补偿结束。
根据本发明的双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其中，还包括：系统初始化包括：采用双通道旋变零位作为基准零位，采用电锁的方式使双通道旋变保持零位，保证电锁下双通道旋变位置稳定性优于期望定位精度的1/10。
根据本发明的双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其中，双通道旋变长周期误差采集包括：
将标准24面体棱镜安装至需测试旋变旋转轴上，通过自准直仪进行标定，平台从0°开始，每隔15°步进电锁位置，直至360°；而后控制平台反转，每隔15°步进电锁位置，直至0°。得到25点双通道旋变长周期测角误差数据(0°,e1),(15°,e2)...(345°,e24)(360°,e25)，某一角度位置的测角误差为该角度正向测量值与反向测量值的平均值，与所使用棱镜在该角度下的固有误差之和，如公式1所示：
Figure BDA0002321284400000031
根据本发明的双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其中，进行长周期测角误差拟合与补偿包括：
使用最小二乘法，对数据处理后长周期测角误差数据进行拟合，选取拟合阶数为三阶，得到长周期测角误差模型为：
eL＝aL1sin(bL1θ+cL1)+aL2sin(bL2θ+cL2)+aL3sin(bL3θ+cL3) 公式5；
其中eL表示拟合所得长周期测角误差，aL1、aL2、aL3分别表示1至3次长周期三角函数拟合幅值系数，bL1、bL2、bL3分别表示1至3次长周期三角函数拟合频率系数，cL1、cL2、cL3分别表示1至3次长周期三角函数拟合相位系数。
根据本发明的双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其中，将长周期误差模型带入控制程序后，重新进行双通道旋变长周期误差采集，对24面体棱镜进行自准直仪标定，如标定结果满足长周期测角误差指标εL，则长周期测角误差补偿结束；如不满足，则将长周期测角误差模型拟合阶数提高一阶，直至标定结果小于长周期测角误差指标εL。
根据本发明的双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其中，双通道旋变短周期误差采集包括：
在双通道旋变长周期测角误差补偿的基础上，将标准23面体棱镜安装至需测试旋变旋转轴上，通过自准直仪进行标定，平台从0°开始，每隔
Figure BDA0002321284400000032
步进电锁位置，直至360°；而后控制平台反转，每隔
Figure BDA0002321284400000041
步进电锁位置，直至0°，将同一角度正向测量值与反向测量值的平均值，与所使用棱镜在该角度下的固有误差之和作为该角度的误差数据，得到24点双通道旋变短周期测角误差数据
Figure BDA0002321284400000042
其中ei表示在i角度下双通道旋变测角误差，σi表示所使用棱镜在该角度下的固有误差。ei正向表示i角度正向测量值，ei反向表示i角度反向测量值。采用公式1进行计算。
根据本发明的双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其中，双通道旋变短周期误差采集还包括：数据处理，包括：
设双通道旋变极对数为p，将
Figure BDA0002321284400000043
共23点双通道旋变标定角度值，映射至
Figure BDA0002321284400000044
范围内，根据映射后角度值由小到大进行排序，将得到的新数据作为
Figure BDA0002321284400000045
内的误差，判断23点双通道旋变标定角度值的位置一一与
Figure BDA0002321284400000046
进行比对，是否小于
Figure BDA0002321284400000047
如果大于等于
Figure BDA0002321284400000048
则位置自减
Figure BDA0002321284400000049
如果小于
Figure BDA00023212844000000410
则认为完成映射，
采用周期数据延拓的方法，根据映射后角度值排序结果对应对
Figure BDA00023212844000000411
内双通道旋变测角误差数据排序，将经过排序后的
Figure BDA00023212844000000412
内双通道旋变测角误差数据作为一个周期的数据，将周期的数据等值延拓，产生2p个周期的数据，使数据铺满360°范围内，得到2p×23点数据作为拟合所需的双通道旋变短周期测角误差数据。
根据本发明的双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其中，双通道旋变短周期误差采集还包括：进行短周期测角误差拟合与补偿，包括：
使用最小二乘法，对数据处理后短周期测角误差数据进行拟合，选取拟合阶数为三阶，得到短周期测角误差模型为：
eS＝aS1sin(bS1θ+cS1)+aS2sin(bS2θ+cS2)+aS3sin(bS3θ+cS3) 公式6
其中eS表示拟合所得短周期测角误差，aS1、aS2、aS3分别表示1至3次短周期三角函数拟合幅值系数，bS1、bS2、bS3分别表示1至3次短周期三角函数拟合频率系数，cS1、cS2、cS3分别表示1至3次短周期三角函数拟合相位系数。
本发明一种双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，它主要适用于中精度角位置伺服系统中，作为反馈元件的双通道旋变由于定转子安装同心误差以及配套测角电路噪声引起的测角误差的补偿，具体可应用于光电吊舱、地基稳定平台等系统的伺服控制。本发明针对多级对双通道旋变实际应用中的安装及电路解算误差进行补偿，弥补了现有算法对于高精度双通道旋变测角补偿的空白，与现有角度解算技术相比解算精度提高10倍。
附图说明
图1为图1是双通道旋变测角误差补偿流程图。
图2是本发明对短周期测角误差数据处理映射流程图。
图3是本发明对长周期测角误差拟合效果图及补偿效果图。
图4是本发明对短周期测角误差补偿效果图。
图5是本发明在长短周期测角误差补偿后进行偏置验证效果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提供一种高精度双通道旋变测角误差模型构建与补偿方法，包括：
系统初始化：
采用双通道旋变零位作为基准零位，采用电锁的方式使双通道旋变保持零位，保证电锁下双通道旋变位置稳定性优于期望定位精度的1/10。
长周期测角误差补偿：
双通道旋变长周期误差采集包括：
将标准24面体棱镜安装至需测试旋变旋转轴上，通过自准直仪进行标定。平台从0°开始，每隔15°步进电锁位置，直至360°；而后控制平台反转，每隔15°步进电锁位置，直至0°。得到25点双通道旋变长周期测角误差数据(0°,e1),(15°,e2)...(345°,e24)(360°,e25)，某一角度位置的测角误差为该角度正向测量值与反向测量值的平均值，与所使用棱镜在该角度下的固有误差之和，表达式如公式1所示：
Figure BDA0002321284400000061
数据处理包括：
判断0°与360°处测角误差值计算得出双通道旋变回零情况，两处测角误差差值小于期望定位精度的1/3，判断为双通道旋变回零，反之则判断为不回零。如双通道旋变不回零，则需重新采集旋变长周期误差，直至检测回零满足精度要求。
长周期测角误差拟合与补偿包括：
使用最小二乘法，对数据处理后长周期测角误差数据进行拟合，选取拟合阶数为三阶，得到长周期测角误差模型为：
eL＝aL1sin(bL1θ+cL1)+aL2sin(bL2θ+cL2)+aL3sin(bL3θ+cL3) 公式2
其中eL表示拟合所得长周期测角误差，aL1、aL2、aL3分别表示1至3次长周期三角函数拟合幅值系数，bL1、bL2、bL3分别表示1至3次长周期三角函数拟合频率系数，cL1、cL2、cL3分别表示1至3次长周期三角函数拟合相位系数。
将长周期误差模型带入控制程序后，重新进行双通道旋变长周期误差采集，对24面体棱镜进行自准直仪标定，如标定结果满足长周期测角误差指标εL，则长周期测角误差补偿结束；如不满足，则将长周期测角误差模型拟合阶数提高一阶，重复本步骤，直至标定结果小于长周期测角误差指标εL。
短周期测角误差补偿包括：
双通道旋变短周期误差采集包括：
在双通道旋变长周期测角误差补偿的基础上，将标准23面体棱镜安装至需测试旋变旋转轴上，通过自准直仪进行标定，平台从0°开始，每隔
Figure BDA0002321284400000071
步进电锁位置，直至360°；而后控制平台反转，每隔
Figure BDA0002321284400000072
步进电锁位置，直至0°，将同一角度正向测量值与反向测量值的平均值，与所使用棱镜在该角度下的固有误差之和作为该角度的误差数据，得到24点双通道旋变短周期测角误差数据
Figure BDA0002321284400000073
其中ei表示在i角度下双通道旋变测角误差，σi表示所使用棱镜在该角度下的固有误差。ei正向表示i角度正向测量值，ei反向表示i角度反向测量值。采用公式1进行计算。
数据处理包括：
设双通道旋变极对数为p，将
Figure BDA0002321284400000074
共23点双通道旋变标定角度值，映射至
Figure BDA0002321284400000075
范围内，根据映射后角度值由小到大进行排序，将得到的新数据作为
Figure BDA0002321284400000076
内的误差，映射流程如图2所示，判断23点双通道旋变标定角度值的位置一一与
Figure BDA0002321284400000077
进行比对，是否小于
Figure BDA0002321284400000078
如果大于等于
Figure BDA0002321284400000079
则位置自减
Figure BDA00023212844000000710
如果小于
Figure BDA00023212844000000711
则认为完成映射。
采用周期数据延拓的方法，根据映射后角度值排序结果对应对
Figure BDA00023212844000000712
内双通道旋变测角误差数据排序，将经过排序后的
Figure BDA00023212844000000713
内双通道旋变测角误差数据作为一个周期的数据，将周期的数据等值延拓，产生2p个周期的数据，使数据铺满360°范围内，得到2p×23点数据作为拟合所需的双通道旋变短周期测角误差数据。
短周期测角误差拟合与补偿包括：
使用最小二乘法，对数据处理后短周期测角误差数据进行拟合，选取拟合阶数为三阶，得到短周期测角误差模型为：
eS＝aS1sin(bS1θ+cS1)+aS2sin(bS2θ+cS2)+aS3sin(bS3θ+cS3) 公式7
其中eS表示拟合所得短周期测角误差，aS1、aS2、aS3分别表示1至3次短周期三角函数拟合幅值系数，bS1、bS2、bS3分别表示1至3次短周期三角函数拟合频率系数，cS1、cS2、cS3分别表示1至3次短周期三角函数拟合相位系数。
将短周期误差模型带入控制程序后，重新进行双通道旋变短周期误差采集，如24点双通道旋变短周期测角误差数据满足短周期测角误差指标εS，则短周期测角误差补偿结束；如果标定结果不满足短周期测角误差指标εS，则将短周期测角误差模型拟合阶数提高一阶，重复短周期测角误差拟合与补偿，直至满足误差指标要求。
本发明以某型地基高精度稳定平台方位轴系测角解算数据为例进行测角误差补偿，该轴系选用16对级双通道转变作为测角元件，旋变测角精度标称为±10”，对该旋变在系统中的测角误差进行补偿。
1.定义零位：
零位通过自准直仪进行标定，采用电锁的方式使设备保持零位，试验中电锁状态下双通道旋变读数10-5位跳动一个字，即电锁精度为0.17”，确定了电锁稳定性优于定位精度的1/10。
2.长周期测角误差补偿：
将标定的24点数据采用3阶补偿模型进行拟合，将其补偿至系统中后，重新进行24点标定测试，标定结果如图3所示，由图可以看出，24点补偿误差为±3.2”，补偿效果明显且满足精度要求。
3.短周期测角误差补偿：
带长周期测角误差补偿的前提下进行23点标定，经标定数据经过数据映射和周期延拓处理后，采用3阶补偿模型进行拟合，得将其补偿至系统中后，重新进行23点标定测试，标定结果如图4所示，由图可以看出，23点补偿误差为±5.6”，补偿效果明显且满足精度要求
4.偏置验证
将原始零位+5°作为新零位进行23点标定，以确保测角误差补偿的有效性，标定结果如图5所示，偏置验证测角误差结果为±5.8”，满足要求。
本发明的有益效果是：提出一种基于长短周期结合的补偿模型，对原有测角误差补偿方法进行了完善和简化，使本算法在补偿在相同运算量的情况下较原有补偿算法补偿精度更高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其特征在于，包括：
长周期测角误差补偿包括：
进行双通道旋变长周期误差采集；
判断0°与360°处测角误差值计算得出双通道旋变回零情况，两处测角误差差值小于期望定位精度的1/3，判断为双通道旋变回零，反之则判断为不回零，如双通道旋变不回零，则需重新采集旋变长周期误差，直至检测回零满足精度要求；
进行长周期测角误差拟合与补偿使用最小二乘法，对数据处理后长周期测角误差数据进行拟合，选取拟合阶数为三阶，得到长周期测角误差模型，将长周期误差模型带入控制程序后，重新进行双通道旋变长周期误差采集，对24面体棱镜进行自准直仪标定，如标定结果满足长周期测角误差指标，则长周期测角误差补偿结束；
进行短周期测角误差补偿，双通道旋变短周期误差采集，使用最小二乘法，对数据处理后短周期测角误差数据进行拟合，选取拟合阶数为三阶，得到短周期测角误差模型将短周期误差模型带入控制程序后，重新进行双通道旋变短周期误差采集，如24点双通道旋变短周期测角误差数据满足短周期测角误差指标，则短周期测角误差补偿结束。
2.如权利要求1所述的双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其特征在于，还包括：系统初始化包括：采用双通道旋变零位作为基准零位，采用电锁的方式使双通道旋变保持零位，保证电锁下双通道旋变位置稳定性优于期望定位精度的1/10。
3.如权利要求1所述的双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其特征在于，双通道旋变长周期误差采集包括：
将标准24面体棱镜安装至需测试旋变旋转轴上，通过自准直仪进行标定，平台从0°开始，每隔15°步进电锁位置，直至360°；而后控制平台反转，每隔15°步进电锁位置，直至0°。得到25点双通道旋变长周期测角误差数据(0°,e1),(15°,e2)...(345°,e24)(360°,e25)，某一角度位置的测角误差为该角度正向测量值与反向测量值的平均值，与所使用棱镜在该角度下的固有误差之和，如公式1所示：
Figure FDA0002321284390000021
4.如权利要求1所述的双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其特征在于，进行长周期测角误差拟合与补偿包括：
使用最小二乘法，对数据处理后长周期测角误差数据进行拟合，选取拟合阶数为三阶，得到长周期测角误差模型为：
eL＝aL1 sin(bL1θ+cL1)+aL2sin(bL2θ+cL2)+aL3sin(bL3θ+cL3) 公式2；
其中eL表示拟合所得长周期测角误差，aL1、aL2、aL3分别表示1至3次长周期三角函数拟合幅值系数，bL1、bL2、bL3分别表示1至3次长周期三角函数拟合频率系数，cL1、cL2、cL3分别表示1至3次长周期三角函数拟合相位系数。
5.如权利要求1所述的双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其特征在于，将长周期误差模型带入控制程序后，重新进行双通道旋变长周期误差采集，对24面体棱镜进行自准直仪标定，如标定结果满足长周期测角误差指标εL，则长周期测角误差补偿结束；如不满足，则将长周期测角误差模型拟合阶数提高一阶，直至标定结果小于长周期测角误差指标εL。
6.如权利要求1所述的双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其特征在于，双通道旋变短周期误差采集包括：
在双通道旋变长周期测角误差补偿的基础上，将标准23面体棱镜安装至需测试旋变旋转轴上，通过自准直仪进行标定，平台从0°开始，每隔
Figure FDA0002321284390000022
步进电锁位置，直至360°；而后控制平台反转，每隔
Figure FDA0002321284390000023
步进电锁位置，直至0°，将同一角度正向测量值与反向测量值的平均值，与所使用棱镜在该角度下的固有误差之和作为该角度的误差数据，得到24点双通道旋变短周期测角误差数据
Figure FDA0002321284390000024
其中ei表示在i角度下双通道旋变测角误差，σi表示所使用棱镜在该角度下的固有误差。ei正向表示i角度正向测量值，ei反向表示i角度反向测量值。采用公式1进行计算。
7.如权利要求6所述的双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其特征在于，双通道旋变短周期误差采集还包括：数据处理，包括：
设双通道旋变极对数为p，将
Figure FDA0002321284390000031
共23点双通道旋变标定角度值，映射至
Figure FDA0002321284390000032
范围内，根据映射后角度值由小到大进行排序，将得到的新数据作为
Figure FDA0002321284390000033
内的误差，判断23点双通道旋变标定角度值的位置一一与
Figure FDA0002321284390000034
进行比对，是否小于
Figure FDA0002321284390000035
如果大于等于
Figure FDA0002321284390000036
则位置自减
Figure FDA0002321284390000037
如果小于
Figure FDA0002321284390000038
则认为完成映射，
采用周期数据延拓的方法，根据映射后角度值排序结果对应对
Figure FDA0002321284390000039
内双通道旋变测角误差数据排序，将经过排序后的
Figure FDA00023212843900000310
内双通道旋变测角误差数据作为一个周期的数据，将周期的数据等值延拓，产生2p个周期的数据，使数据铺满360°范围内，得到2p×23点数据作为拟合所需的双通道旋变短周期测角误差数据。
8.如权利要求7所述的双通道旋转变压器测角的三角函数模型误差补偿方法，其特征在于，双通道旋变短周期误差采集还包括：进行短周期测角误差拟合与补偿，包括：
使用最小二乘法，对数据处理后短周期测角误差数据进行拟合，选取拟合阶数为三阶，得到短周期测角误差模型为：
eS＝aS1 sin(bS1θ+cS1)+aS2sin(bS2θ+cS2)+aS3sin(bS3θ+cS3) 公式3
其中eS表示拟合所得短周期测角误差，aS1、aS2、aS3分别表示1至3次短周期三角函数拟合幅值系数，bS1、bS2、bS3分别表示1至3次短周期三角函数拟合频率系数，cS1、cS2、cS3分别表示1至3次短周期三角函数拟合相位系数。
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