CN112202383B - 一种基于同频陷波器的旋变谐波误差软件自补偿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于同频陷波器的旋变谐波误差软件自补偿系统,包括:伺服控制单元、误差评价单元、误差辨识单元、误差补偿单元;伺服控制单元用于控制负载按指令角速度稳定旋转。误差评价单元给控制伺服控制单元发送指令角速度,对伺服控制器输出的测量角速度进行频谱分析,将频谱分析得到的误差谐波次数N传送给误差辨识单元、误差补偿单元,作为调节误差辨识和误差补偿的依据。误差辨识单元使用相关积分法构造的同频陷波器对谐波次数为N的旋转变压器测角误差进行精准辨识,得到误差正弦量和误差余弦量。误差补偿单元根据误差辨识单元得到的误差正弦量和误差余弦量重构误差,并对旋转变压器输出原始角位置进行误差补偿。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋变谐波误差软件自补偿系统。
背景技术
旋转变压器可靠性高、具有良好的力热环境适应性,广泛应用于航天高精度测角领域。
旋转变压器通过检波获取两路调幅信号的包络,然后使用解调算法获取角位置信息。理想情况下,检波后的包络信号应是正交的正余弦信号,但是由于变压器输出信号幅值不对称、非理想正交、电感谐波、载波参考信号相位偏移等因素,检波后的包络信号往往包含直流偏置、幅值不对称和相位偏移,再加上解调芯片的解调误差,导致旋转变压器产生一定的测角误差。
旋转变压器解调误差主要有幅值误差、正交误差和函数误差。幅值误差、正交误差的频率表现为转频的二倍频,而函数误差的频率表现为转频的二倍频及其高次谐波。此外,旋转变压器定子磁片、转子磁片绕线不均匀,也会产生与定转子磁片个数相关的频率误差。
综上所述,由旋转变压器励磁正余弦信号幅值不一致、非正交及波形畸变(函数误差)导致的,反映在角速度上为转频二次及高次谐波误差为旋转变压器测角误差的主要成分,严重影响了旋转变压器解调精度,进而影响伺服系统控制精度,需要对其补偿。现有旋转变压器误差补偿方法以标定法为主,使用高精度的角位置传感器测得旋转变压器不同角位置的测角误差,制作测角误差查找表进行补偿。这种补偿方法需购置超高精度的角位置传感器,并要求被补偿旋转变压器具备机械转接接口并设计超高精度的转接工装用以安装超高精度测角传感器,对装配精度要求极高,用此方法补偿旋转变压器高次谐波误差必须进行精密描点,过程复杂,无法进行在线补偿,使用不便。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供一种基于同频陷波器的旋变谐波误差软件自补偿系统,校正由旋转变压器输出正余弦信号非等幅、非正交及波形畸变(函数误差)导致的,反应在角速度上为旋转变压器转频二次及高次谐波的测角误差,提高旋转变压器测角精度,进而提升伺服系统控制精度,适用于旋转变压器谐波误差的高精度校正补偿,适用于旋转变压器测角误差的校正补偿,可大幅提高旋转变压器的测角精度。
本发明所采用的技术方案是:一种基于同频陷波器的旋变谐波误差软件自补偿系统,包括:伺服控制单元、误差评价单元、误差辨识单元、误差补偿单元;
所述伺服控制单元包括伺服控制器、伺服电机、负载、微分器、旋转变压器和旋变解调器;旋转变压器安装在负载上,旋变解调器根据旋转变压器输出正余弦信号进行解调得到测量角位置θ,经过微分器后得到测量角速度Vel_RDC;伺服控制器根据误差评价单元输出的指令角速度Vel_zl与测量角速度Vel_RDC之差计算并输出控制电流给伺服电机;伺服电机根据控制电流输出力矩驱动负载跟踪指令角速度Vel_zl;
误差评价单元给伺服控制单元发送指令角速度,对伺服控制器输出的测量角速度进行频谱分析,将频谱分析得到的误差谐波次数N传送给误差辨识单元、误差补偿单元;
误差辨识单元使用相关积分法构造的同频陷波器对谐波次数为N的旋转变压器测角误差进行辨识,得到误差正弦量和误差余弦量;
误差补偿单元根据误差辨识单元得到的得到误差正弦量和误差余弦量重构误差,并对旋变解调器输出的测量角位置θ进行误差补偿。
所述误差辨识单元接收旋变解调器发送的测量角位置θ,乘以误差谐波次数N,得到Nθ,对Nθ进行正余弦变换得到sin(Nθ)和cos(Nθ),对sin(Nθ)和cos(Nθ)进行相移处理,得到和乘以角速度控制误差e和增益系数A,得到和然后分别进行积分运算得到和将∫(A×e×sin(Nθ))和∫(A×e×cos(Nθ))与sin(Nθ)和cos(Nθ)分别相乘并相加后得到同频陷波器输出量:送入角速度误差e取值节点前,在伺服控制单元中完成迭代运算;多次迭代后,收敛于误差正弦量A_sin,收敛于误差余弦量A_cos,将谐波误差补偿系数A_sin和A_cos送入误差补偿单元。
所述误差补偿单元接收旋变解调器发送的测量角位置θ,乘以误差谐波次数N,然后对Nθ进行正余弦变换得到sin(Nθ)和cos(Nθ);将误差辨识单元得到的谐波误差补偿系数A_sin和A_cos除以误差谐波次数N,然后除以辨识时所用指令角速度Vel_zl,分别与cos(Nθ)和sin(Nθ)相乘后取差,得到与旋转变压器输出的测量角位置θ取和,对测量角位置θ进行补偿。
所述误差评价单元给伺服控制单元发送指令角速度Vel_zl,令伺服控制器以恒定转速旋转,并对测量角速度Vel_RDC进行频谱分析,根据测量角速度Vel_RDC的主要频谱成分的频率fN计算误差谐波次数并依据fN处的频谱幅值大小得到旋转变压器测角误差大小;同时,将误差谐波次数N送入误差辨识单元和误差补偿单元。
指令角速度Vel_zl为伺服系统最高转速的0.1~1倍。
对于具有位置环的伺服控制系统,误差辨识单元加入到位置环误差和位置环控制器之间,得到测角误差补偿系数正弦量A_sin'和测角误差补偿系数余弦量A_cos'。
对于具有位置环的伺服控制系统,将误差辨识单元得到的谐波误差补偿系数A_sin'和A_cos',分别与sin(Nθ)和cos(Nθ)相乘后取和,得到A_sin'×sin(Nθ)+A_cos'×cos(Nθ),与测量角位置θ取和,对测量角位置θ进行补偿。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
(1)本发明公开了误差评价单元,依据恒速旋转时旋转变压器测角角速度频谱分析结果中高次谐波的幅值大小来评价旋转变压器误差大小,实现了旋转变压器测角误差大小的自评价。
(2)本发明公开了误差辨识单元,使用相关积分法构造的同频陷波器对旋转变压器的谐波误差进行精准辨识,相关积分器更新辨识结果直至残余误差下降到零为止,精度极高,实现了旋转变压器测角误差的自标定。
(3)本发明公开了误差补偿单元,对旋转变压器测角谐波误差进行开环补偿,不影响伺服控制系统的稳定性,实现了旋转变压器测角误差的自补偿。
(4)本发明利用旋转变压器自身的误差频率特性进行自评价、自标定、自补偿,在伺服控制器中编写软件程序即可实现,无需高精度的测角传感器,无需更改机械结构和控制硬件设计。
附图说明
图1为旋转变压器检测误差软件自补偿系统结构图;
图2为旋转变压器检测误差辨识单元结构图;
图3为旋转变压器检测误差补偿单元结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示,本发明公开了一种基于同频陷波器的旋变谐波误差软件自补偿系统,包括四个单元:
伺服控制单元接收误差评价单元的指令角速度,控制负载稳速旋转,并将获得的测量角速度传送给误差评价单元,将获得的测量角位置传送给误差辨识单元和误差补偿单元。
误差评价单元给控制伺服控制单元发送指令角速度,对伺服控制器输出的测量角速度进行频谱分析,将频谱分析得到的误差谐波次数N传送给误差辨识单元、误差补偿单元,作为调节误差辨识和误差补偿的依据。并依据频谱分析中的谐波幅值大小评价旋转变压器测角误差大小。
误差辨识单元使用相关积分法构造的同频陷波器对谐波次数为N的旋转变压器测角误差进行精准辨识,得到误差正弦量和误差余弦量。
误差补偿单元根据误差辨识单元得到的得到误差正弦量和误差余弦量重构误差,并对旋变解调器输出的测量角位置θ进行误差补偿。
1、伺服控制单元
如图1所示,伺服控制单元包括伺服控制器、伺服电机、负载、旋转变压器和旋变解调器;旋转变压器安装在负载上,旋变解调器根据旋转变压器输出正余弦信号进行解调得到测量角位置θ,经过微分器后得到测量角速度Vel_RDC;伺服控制器根据误差评价单元输出的指令角速度Vel_zl与测量角速度Vel_RDC之差计算并输出控制电流给伺服电机;伺服电机输出力矩驱动负载跟踪指令角速度Vel_zl。
2、误差评价单元
误差评价单元给伺服控制单元发送指令角速度Vel_zl(Vel_zl为伺服系统最高转速的0.1~1倍),令其恒定转速旋转,并对伺服控制单元中的测量角速度Vel_RDC进行频谱分析,根据其主要频谱成分的频率fN计算误差谐波次数并依据fN处的频谱幅值大小评价旋转变压器测角误差大小。同时,将误差谐波次数N送入误差辨识单元和误差补偿单元进行对应处理。
3、误差辨识单元
如图2所示,误差辨识单元将伺服控制单元测量角位置θ引入到误差辨识单元,乘以误差谐波次数N,得到Nθ,然后对Nθ进行正余弦变换得到sin(Nθ)和cos(Nθ),对sin(Nθ和cos(Nθ)进行相移角度处理,得到和乘以角速度控制误差e和增益系数A,得到和然后分别进行积分运算得到和将∫(A×e×sin(Nθ))和∫(A×e×cos(Nθ))与sin(Nθ)和cos(Nθ)分别相乘并相加后得到送入角速度控制误差e取值节点前,在伺服控制单元中完成迭代运算。多次迭代后,收敛于误差正弦量A_sin,收敛于误差余弦量A_cos,将谐波误差补偿系数A_sin和A_cos送入误差补偿单元。
对于具有位置环的伺服控制系统,测角误差辨识单元亦可加入到位置环误差和位置环控制器之间,方法与上述方式一致,得到测角误差补偿系数正弦量A_sin'和测角误差补偿系数余弦量A_cos'。
4、误差补偿单元
如图3所示,误差补偿单元将测量角位置θ引入到误差补偿单元,乘以误差谐波次数N,然后对Nθ进行正余弦变换得到sin(Nθ)和cos(Nθ);将误差辨识单元得到的谐波误差补偿系数A_sin和A_cos除以误差谐波次数N,然后除以辨识时所用指令角速度Vel_zl,分别与cos(Nθ)和sin(Nθ)相乘后取差,得到与旋转变压器测量角位置θ取和,对其进行补偿。
对于具有位置环的伺服控制系统,将测角误差辨识单元得到的谐波误差补偿系数A_sin'和A_cos',分别与sin(Nθ)和cos(Nθ)相乘后取和,得到A_sin'×sin(Nθ)+A_cos'×cos(Nθ),与旋转变压器测量角位置θ取和,对其进行补偿。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改,因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于同频陷波器的旋变谐波误差软件自补偿系统,其特征在于,包括:伺服控制单元、误差评价单元、误差辨识单元、误差补偿单元;
所述伺服控制单元包括伺服控制器、伺服电机、负载、微分器、旋转变压器和旋变解调器;旋转变压器安装在负载上,旋变解调器根据旋转变压器输出正余弦信号进行解调得到测量角位置θ,经过微分器后得到测量角速度Vel_RDC;伺服控制器根据误差评价单元输出的指令角速度Vel_zl与测量角速度Vel_RDC之差计算并输出控制电流给伺服电机;伺服电机根据控制电流输出力矩驱动负载跟踪指令角速度Vel_zl;
误差评价单元给伺服控制单元发送指令角速度,对伺服控制器输出的测量角速度进行频谱分析,将频谱分析得到的误差谐波次数N传送给误差辨识单元、误差补偿单元;
误差辨识单元使用相关积分法构造的同频陷波器对谐波次数为N的旋转变压器测角误差进行辨识,得到误差正弦量和误差余弦量;
误差补偿单元根据误差辨识单元得到的得到误差正弦量和误差余弦量重构误差,并对旋变解调器输出的测量角位置θ进行误差补偿;
所述误差辨识单元接收旋变解调器发送的测量角位置θ,乘以误差谐波次数N,得到Nθ,对Nθ进行正余弦变换得到sin(Nθ)和cos(Nθ),对sin(Nθ)和cos(Nθ)进行相移处理,得到和乘以角速度控制误差e和增益系数A,得到和然后分别进行积分运算得到和将和∫(A×e×cos(Nθ))与sin(Nθ)和cos(Nθ)分别相乘并相加后得到同频陷波器输出量:送入角速度误差e取值节点前,在伺服控制单元中完成迭代运算;多次迭代后,收敛于误差正弦量A_sin,收敛于误差余弦量A_cos,将谐波误差补偿系数A_sin和A_cos送入误差补偿单元;
3.根据权利要求2所述的一种基于同频陷波器的旋变谐波误差软件自补偿系统,其特征在于:指令角速度Vel_zl为伺服系统最高转速的0.1~1倍。
4.根据权利要求1所述的一种基于同频陷波器的旋变谐波误差软件自补偿系统,其特征在于:对于具有位置环的伺服控制系统,误差辨识单元加入到位置环误差和位置环控制器之间,得到测角误差补偿系数正弦量A_sin'和测角误差补偿系数余弦量A_cos'。
5.根据权利要求4所述的一种基于同频陷波器的旋变谐波误差软件自补偿系统,其特征在于:对于具有位置环的伺服控制系统,将误差辨识单元得到的谐波误差补偿系数A_sin'和A_cos',分别与sin(Nθ)和cos(Nθ)相乘后取和,得到A_sin'×sin(Nθ)+A_cos'×cos(Nθ),与测量角位置θ取和,对测量角位置θ进行补偿。
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