CN112306112B - 一种带有高频测角机构的转台/摇摆台及测角方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有高频测角机构的转台/摇摆台及测角方法，涉及测角技术领域，包括高频测角机构、上位机控制器和若干编码器，所述编码器安装在转台/摇摆台的俯仰轴轴端和方位轴轴端，每个所述编码器通过相应的连接件与高频测角机构连接，所述高频测角机构与上位机控制器连接；所述高频测角机构包括延时误差检测器、误差校对器、时钟发生器、数据接收器、全局时钟发生器和多路切换器，所述多路切换器与编码器连接并进行信息交互，延时误差检测器、时钟发生器、数据接收器均为一端与多路切换器连接，另一端与误差校对器连接。本发明具有较高的反馈频率，能够满足伺服控制系统的高频控制要求。
Description
技术领域
本发明涉及测角技术领域，具体涉及一种带有高频测角机构的转台/摇摆台及测角方法。
背景技术
随着现代工业快速发展，高速、高精度已经成为伺服驱动系统的发展趋势，而位置检测是决定伺服系统性能的关键之一，光电数字编码器是工业测量系统中常用的一种高精度的测量仪器，其以精度高、抗干扰能力强的优点，成为目前伺服驱动系统中常用的测角元件，并广泛应用于航空航天、船舶工业、机械制造中。
光电数字编码器是伺服控制系统的主要器件之一，其控制精度和跟踪精度在很大程度上依赖于编码器的测量精度。
测角反馈在位置环和速率环的控制中具有重要地位，角度反馈频率越高，系统位置环控制的到位速度越快，速率环控制的速率越稳定，设备控制带宽也越高。
在测角装置中，编码器和控制器之间通过一定长度的线缆连接，对于不同长度和特性的线缆，它的传输延时和损耗是不同的，随着线缆的延长，为保证数据的准确性，测角的时钟频率必须下降，测角时钟与线缆长度的关系参见图1所示。如果无传输延时补偿，时钟频率取决于电缆长度，只可采用低频时钟进行测角。由于电缆延长和通过接插件数量的增多均会导致信号传输时间延长，同时设备长期使用后，电子元器件与线缆的老化也会加大信号的传输时间，这种时间的延时会导致后续电子设备不能有效区分数据配置的程度，造成数据错误。
通常，转台/摇摆台试验设备的绝对式数字角度编码器安装在轴端，可以实时反馈角度位置情况。而FPGA测角系统通常安装在控制柜中，编码器与测角系统通讯过程中，信号会经过滑环、多个接插件和较长的线缆，导致数据在传输过程中有传输延时和信号损耗。因此，在传统的测角算法中，一般选择降低时钟频率来确保数据的可靠性，如选择时钟频率为500KHz进行测角，测角时序图如图2所示。
但是，采用500KHz的低频时钟进行测角时，时钟周期为2us，尽管在传输过程中有延时时间T的存在，但是相对于2us的长时钟周期，T可以忽略不计，所以在检测过程中不会出现数据错位情况。在这种低频环境下测角，大幅拉长了每帧数据的检测时间，帧间隔为100us，数据刷新率只有10KHz。
如果在上述传统测角算法的基础上，直接使用10MHz的时钟频率测角，则会发生如图3所示的数据错位的情况，由于将时钟提升到了10MHz，而周期只有100ns，此时传输延时时间T是100ns周期的好几倍，这就会对测角周期产生影响，图中，数据最高位错位到START起始信号，数据第二位错位到“0”位信号，这就会造成整体数据错位，无法完成系统的测角反馈，因此，在传统的测角过程中，必须主动降低时钟频率，才能确保数据的正确性，避免数据发生错位现象。
但是频率太低会拉长读取一帧角度值的时间，每100us才能更新一个角度数据，测角反馈只有10KHz，而随着转台/摇摆台的实时性能需求的提高，10KHz的反馈和控制已无法满足控制系统的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种带有高频测角机构的转台/摇摆台及测角方法，具有较高的反馈频率，能够满足伺服控制系统的高频控制要求。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种带有高频测角机构的转台/摇摆台，包括高频测角机构、上位机控制器和若干编码器，所述编码器安装在转台/摇摆台的俯仰轴轴端和方位轴轴端，每个所述编码器通过相应的连接件与高频测角机构连接，所述高频测角机构与上位机控制器连接；
所述高频测角机构包括延时误差检测器、误差校对器、时钟发生器、数据接收器、全局时钟发生器和多路切换器，所述多路切换器与编码器连接并进行信息交互，延时误差检测器、时钟发生器、数据接收器均为一端与多路切换器连接，另一端与误差校对器连接。
进一步的，所述编码器用于将相应的数据信号通过多路切换器传输至延时误差检测器、时钟发生器和数据接收器，所述延时误差检测器用于检测编码器信号传递至高频测角机构途中的延时误差，并将误差数据传送至误差校对器，经过误差校对器的校对计算后再将最终延时误差值传送至时钟发生器和数据接收器，所述数据接收器根据误差数据对所接收到的数据信号时序进行相应的延迟采集。
进一步的，所述全局时钟发生器为无源晶振，所述全局时钟发生器用于为误差检测器、误差校对器、时钟发生器、数据接收器和多路切换器提供基准时钟。
进一步的，所述全局时钟发生器的时钟频率在50MHz～100MHz范围内。
进一步的，所述俯仰轴轴端设置有俯仰测角元件，所述方位轴轴端设置有方位测角元件。
进一步的，所述方位测角元件、俯仰测角元件均选用绝对式圆光栅和相配合的读数头。
进一步的，所述连接件包括相互配合的线缆、滑环及接插件。
一种基于高频测角机构的测角方法，包括以下步骤：
S1、高频测角机构向编码器发送时钟信号；
S2、编码器进行测角并将角度信号发送至高频测角机构的数据接收器；
S3、所述数据接收器将角度信号延时时间信号发送至延时误差检测器，转入步骤S4；
S4、重复步骤S1～S3若干次，转入步骤S5；
S5、延时误差检测器对系统进行若干次回路总延时时间检测，然后将若干次检测数值T1、T2、……、Tn发送给误差校对器；
S6、误差校对器判断T1、T2、……、Tn的差值是否超过限定阈值，若超过阈值，转入步骤S1；否则，转入步骤S7；
S7、误差校对器对T1、T2、……、Tn进行均值化处理，并乘以系统的时钟基准参数Φ，得到最终时间误差系数TFLNAL＝(T1+T2+……+Tn)*Φ/n，将TFLNAL传送给时钟发生器和数据接收器，转入步骤S8；
S8、数据接收器在保证时钟发生器信号MA的时序的基准上，对数据接收器的接收时序做向后移TFLNAL时间再进行数据采集的操作，完成对测角算法的补偿和优化，完成高频测角。
进一步的，在所述步骤S1和S2的信号传输过程中，有3次数据时间延时：第一次发生在高频测角机构向编码器发送时钟信号时，从高频测角机构发送时钟信号到编码器接收到信号的过程中产生传输延时时间T1，第二次发生在编码器内部信号锁存和角度处理，产生编码器处理延时时间T2，第三次发生在编码器向高频测角机构传送角度信号时，从编码器发送信息到高频测角机构接收到信息的过程中产生角度信号传输延时时间T3，将T1、T2和T3组合后，即系统总延时时间T。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明中带有高频测角机构的转台/摇摆台，在使用时，转台/摇摆台的测角系统先初始化，自动适应当前的工作状况，编码器将相应的数据信号通过多路切换器传输至延时误差检测器、时钟发生器和数据接收器，所述延时误差检测器用于检测编码器信号传递至高频测角机构途中的延时误差，并将误差数据传送至误差校对器，经过误差校对器的校对计算后再将最终延时误差值传送至时钟发生器和数据接收器，所述数据接收器根据误差数据对所接收到的数据信号时序进行相应的延迟采集，即可完成对测角算法的补偿和优化，使得测角中的时钟频率能够达到10MHz，角度数据刷新率达到25KHz；本发明有效将测角时钟的频率从500KHz提高到10MHz的同时，大幅缩短了一帧角度的测角时间，测角反馈频率能达到25KHz，即每隔40us更新一个角度值，是传统的测角系统反馈频率的2倍以上，使得位置环控制的到位速度更快，速率环控制的速率更稳定，设备控制带宽也更高，能够满足伺服控制系统的高频控制要求。
附图说明
图1为测角时钟与线缆长度的关系图；
图2为未优化的500KHz测角时序图；
图3为未优化的10MHz测角时序图；
图4为本发明实施例中带有高频测角机构的转台/摇摆台的结构示意图；
图5为本发明实施例中高频测角机构的结构框图；
图6为本发明实施例中测角过程中信号传输延时示意图；
图7为使用本发明实施例高频测角机构后数据刷新率为25KHz的高频测角时序图；
图8为BISS-C的通讯时序图。
图中：1-编码器，2-高频测角机构，3-上位机控制器，4-连接件，5-延时误差检测器，6-误差校对器，7-时钟发生器，8-数据接收器，9-全局时钟发生器，10-多路切换器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
参见图4和图5所示，本发明实施例提供一种带有高频测角机构的转台/摇摆台，包括若干编码器1、高频测角机构2和上位机控制器3，编码器1安装在转台/摇摆台的俯仰轴轴端和方位轴轴端，俯仰轴轴端设置俯仰测角元件，方位轴轴端设置方位测角元件，方位测角元件、俯仰测角元件均选用绝对式圆光栅和相配合的读数头，读数头采用单向BISS-C同步串行协议(一种接口协议)输出角度信息，读数头为主-从接口结构，主接口控制位置获取时序和数据传输速度，而光栅为从接口机构，接口由两个单向差分线耦合而成，每个编码器1通过相应的连接件4与高频测角机构2连接，连接件4包括相互配合的线缆、滑环和接插件，高频测角机构2与上位机控制器3连接。
高频测角机构2为FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程逻辑门阵列)测角系统，其包括延时误差检测器5、误差校对器6、时钟发生器7、数据接收器8、全局时钟发生器9和多路切换器10，多路切换器10与编码器1连接并进行信息交互，延时误差检测器5、时钟发生器7、数据接收器8均为一端与多路切换器10连接，另一端与误差校对器6连接。
全局时钟发生器9为无源晶振，为误差检测器5、误差校对器6、时钟发生器7、数据接收器8和多路切换器10提供基准时钟，时钟频率在50MHz～100MHz范围内。
在使用时，转台/摇摆台的测角系统先初始化，自动适应当前的工作状况，编码器1将相应的数据信号(角度信号)通过多路切换器10传输至延时误差检测器5、时钟发生器7和数据接收器8，延时误差检测器5用于检测编码器1信号传递至高频测角机构2途中的延时误差，并将误差数据传送至误差校对器6，经过误差校对器6的校对计算后再将最终延时误差值传送至时钟发生器7和数据接收器8，数据接收器8根据误差数据对所接收到的数据信号时序进行相应的延迟采集，即可完成对测角算法的补偿和优化，使得测角中的时钟频率能够达到10MHz，角度数据刷新率达到25KHz。
本发明有效将测角时钟的频率从500KHz提高到10MHz的同时，大幅缩短了一帧角度的测角时间，测角反馈频率能达到25KHz，即每隔40us更新一个角度值，是传统的测角系统反馈频率的2倍以上，使得位置环控制的到位速度更快，速率环控制的速率更稳定，设备控制带宽也更高。
同时，即使转台/摇摆台设备中器件和线缆随着使用时间发生老化，信号传输过程中的延时和损耗会更加严重，采用本发明的测角机构后，都能够自动适应当前工况，检测出合理的补偿参数，并对测角算法进行优化，确保完成系统的高频反馈，有效保持系统性能。
本发明还提供一种基于高频测角机构的测角方法，包括以下步骤：
S1、高频测角机构2向编码器1发送时钟信号。
S2、编码器1进行测角并将角度信号发送至高频测角机构2的数据接收器8。
参见图6和图7所示，在步骤S1和S2的信号传输过程中，有3次数据时间延时：第一次发生在高频测角机构2向编码器1发送时钟信号时，从高频测角机构2发送时钟信号到编码器1接收到信号的过程中产生传输延时时间T1，第二次发生在编码器1内部信号锁存和角度处理，产生编码器处理延时时间T2，第三次发生在编码器1向高频测角机构2传送角度信号时，从编码器1发送信息到高频测角机构2接收到信息的过程中产生角度信号传输延时时间T3，将T1、T2和T3组合后，就是系统总延时时间T。
S3、数据接收器8将角度信号延时时间信号发送至延时误差检测器5，转入步骤S4。
S4、重复步骤S1～S3三次，转入步骤S5。
S5、延时误差检测器5对系统进行N次回路总延时时间检测(检测次数根据实际需要确定，本实施例中，检测时间为3次，以下均以3次进行描述)，然后将这3次检测数值T1、T2和T3发送给误差校对器6。
S6、误差校对器6判断T1、T2和T3的差值是否超过限定阈值，如果超过阈值，说明这3个数据中有错误数据，转入步骤S1；否则，转入步骤S7。
S7、误差校对器6对T1、T2和T3进行均值化处理，并乘以系统的时钟基准参数Φ，得到最终时间误差系数TFLNAL＝(T1+T2+T3)*Φ/3，将TFLNAL传送给时钟发生器7和数据接收器8，转入步骤S8。
S8、数据接收器8在保证时钟发生器7信号MA的时序的基准上，对数据接收器8的接收时序做向后移TFLNAL时间再进行数据采集的操作，完成对测角算法的补偿和优化，完成高频测角。
参见图8所示为BISS-C的通讯时序图，MA信号为协议的时钟信号，由主接口产生，用于将位置采集请求和时序信息(时钟)传输至圆光栅；SLO信号为角度数据信号，由圆光栅内部电路产生，用于将位置数据及编码器信息传输至与MA同步的主接口。
当总线空闲时，主接口将MA线保持高电平，圆光栅通过使SLO线号保持高电平代表它已准备就绪，主接口通过第一个下降沿锁定当前的圆光栅角度，在MA信号的第二个上升沿，圆光栅将SLO线拉低做出响应，在其后的ACK时间(不超过20us)内，圆光栅完成内部角度运算，接着将开始位、“0”位、26位绝对值数据、错误位、警告位和6位CRC校验码传输到与时钟同步的主接口上。
当所有数据都传输完毕后，主接口停下时钟并将MA线设为高电平，圆光栅SLO信号经过一段时间(Timeout时间)的低电平后，将其置为高电平提示主接口可以进行下一次数据读取。
本发明不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。
Claims (8)
1.一种带有高频测角机构的转台/摇摆台，包括若干编码器(1)，其特征在于：还包括高频测角机构(2)和上位机控制器(3)，所述编码器(1)安装在转台/摇摆台的俯仰轴轴端和方位轴轴端，每个所述编码器(1)通过相应的连接件(4)与高频测角机构(2)连接，所述高频测角机构(2)与上位机控制器(3)连接；
所述高频测角机构(2)包括延时误差检测器(5)、误差校对器(6)、时钟发生器(7)、数据接收器(8)、全局时钟发生器(9)和多路切换器(10)，所述多路切换器(10)与编码器(1)连接并进行信息交互，延时误差检测器(5)、时钟发生器(7)、数据接收器(8)均为一端与多路切换器(10)连接，另一端与误差校对器(6)连接；所述编码器(1)用于将相应的数据信号通过多路切换器(10)传输至延时误差检测器(5)、时钟发生器(7)和数据接收器(8)，所述延时误差检测器(5)用于检测编码器(1)信号传递至高频测角机构(2)途中的延时误差，并将误差数据传送至误差校对器(6)，经过误差校对器(6)的校对计算后再将最终延时误差值传送至时钟发生器(7)和数据接收器(8)，所述数据接收器(8)根据误差数据对所接收到的数据信号时序进行相应的延迟采集。
2.如权利要求1所述的一种带有高频测角机构的转台/摇摆台，其特征在于：所述全局时钟发生器(9)为无源晶振，所述全局时钟发生器(9)用于为误差检测器(5)、误差校对器(6)、时钟发生器(7)、数据接收器(8)和多路切换器(10)提供基准时钟。
3.如权利要求1所述的一种带有高频测角机构的转台/摇摆台，其特征在于：所述全局时钟发生器(9)的时钟频率在50MHz～100MHz范围内。
4.如权利要求1所述的一种带有高频测角机构的转台/摇摆台，其特征在于：所述俯仰轴轴端设置有俯仰测角元件，所述方位轴轴端设置有方位测角元件。
5.如权利要求4所述的一种带有高频测角机构的转台/摇摆台，其特征在于：所述方位测角元件、俯仰测角元件均选用绝对式圆光栅和相配合的读数头。
6.如权利要求1所述的一种带有高频测角机构的转台/摇摆台，其特征在于：所述连接件(4)包括相互配合的线缆、滑环及接插件。
7.一种基于权利要求1至6中任一项所述高频测角机构的测角方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、高频测角机构(2)向编码器(1)发送时钟信号；
S2、编码器(1)进行测角并将角度信号发送至高频测角机构(2)的数据接收器(8)；
S3、所述数据接收器(8)将角度信号延时时间信号发送至延时误差检测器(5)，转入步骤S4；
S4、重复步骤S1～S3若干次，转入步骤S5；
S5、延时误差检测器(5)对系统进行若干次回路总延时时间检测，然后将若干次检测数值T1、T2、……、Tn发送给误差校对器(6)；
S6、误差校对器(6)判断T1、T2、……、Tn的差值是否超过限定阈值，若超过阈值，转入步骤S1；否则，转入步骤S7；
S7、误差校对器(6)对T1、T2、……、T3进行均值化处理，并乘以系统的时钟基准参数Φ，得到最终时间误差系数TFLNAL＝(T1+T2+Tn)*Φ/n，将TFLNAL传送给时钟发生器(7)和数据接收器(8)，转入步骤S8；
S8、数据接收器(8)在保证时钟发生器(7)信号MA的时序的基准上，对数据接收器(8)的接收时序做向后移TFLNAL时间再进行数据采集的操作，完成对测角算法的补偿和优化，完成高频测角。
8.如权利要求7所述的一种基于高频测角机构的测角方法，其特征在于：在所述步骤S1和S2的信号传输过程中，有3次数据时间延时：第一次发生在高频测角机构(2)向编码器(1)发送时钟信号时，从高频测角机构(2)发送时钟信号到编码器(1)接收到信号的过程中产生传输延时时间T1，第二次发生在编码器(1)内部信号锁存和角度处理，产生编码器处理延时时间T2，第三次发生在编码器(1)向高频测角机构(2)传送角度信号时，从编码器(1)发送信息到高频测角机构(2)接收到信息的过程中产生角度信号传输延时时间T3，将T1、T2和T3组合后，即系统总延时时间T。
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