RU2413177C1

RU2413177C1 - Method of measuring angle of rotation of shaft

Info

Publication number: RU2413177C1
Application number: RU2009147725/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Белов (RU); Виктор Иванович Белов; Дмитрий Борисович Федоров (RU); Дмитрий Борисович Федоров; Юрий Владимирович Ленский (RU); Юрий Владимирович Ленский; Андрей Сергеевич Игнатьев (RU); Андрей Сергеевич Игнатьев; Альберт Константинович Смирнов (RU); Альберт Константинович Смирнов
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-02-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: angle is converted to main and additional electrical signals with the same angular equivalents. A differential signal is generated from said signals in uniformly lying angular positions of the shaft in one or more restricted angular ranges. Each of the angular ranges which is a multiple or close to a multiple of a whole number of periods of the error spectrum of the main signal is selected. The low frequency component of the differential signal is picked up through its polynomial approximation. The low frequency component is subtracted from the differential signal. Parametres of the error spectrum of the main signal are determined from the subtraction result. The parametres are stored and extrapolated on the entire measurement range. A correction is created for any current value of the output signal and the angular equivalent of the main signal is corrected.

EFFECT: high accuracy.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано при определении угловой ориентации трехосного гиростабилизатора (ТГС) относительно базового объекта.The invention relates to the field of automation and can be used to determine the angular orientation of the triaxial gyrostabilizer (TGS) relative to the base object.

Известен способ измерения угла поворота вала, в котором угол преобразуют в два электрических сигнала переменного тока, модулированных соответственно в функции синуса и косинуса угла поворота, определяют перед началом измерения в равномерно расположенных на периоде модулирующего сигнала угловых положениях сумму квадратов амплитуд синусного и косинусного сигналов, находят их среднее арифметическое значение, определяют параметры (амплитуду и фазу) спектра пространственных гармоник погрешности и запоминают их, а в процессе измерения из угловых значений, полученных в виде арктангенса отношения амплитуд модулирующих синусного и косинусного сигналов, вычитают погрешность, сформированную по запомненным параметрам спектра погрешностей [1].A known method of measuring the angle of rotation of the shaft, in which the angle is converted into two electrical AC signals, modulated respectively as a function of the sine and cosine of the rotation angle, is determined before measurement in the angular positions evenly spaced on the period of the modulating signal, the sum of the squares of the amplitudes of the sine and cosine signals, find their average arithmetic value, determine the parameters (amplitude and phase) of the spectrum of spatial harmonics of the error and remember them, and during the measurement from of angular values obtained in the form of the arctangent of the ratio of the amplitudes of the modulating sine and cosine signals, the error formed by the stored parameters of the error spectrum is subtracted [1].

Измерение погрешностей в известном способе производится на одном периоде модулирующего сигнала с последующей обработкой результатов путем дискретного преобразования Фурье. Известный способ не позволяет выявить и скомпенсировать погрешности, гармонические составляющие которых не кратны периоду модулирующего сигнала.The measurement of errors in the known method is carried out on one period of the modulating signal, followed by processing the results by a discrete Fourier transform. The known method does not allow to identify and compensate for errors whose harmonic components are not multiples of the period of the modulating signal.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является способ измерения угла поворота вала, в котором угол преобразуют в основной и дополнительный электрические сигналы с одинаковыми угловыми эквивалентами в виде скважности широтно-импульсных модулированных (ШИМ) сигналов, формируют из них разностный сигнал в равномерно расположенных угловых положениях вала во всем диапазоне измерения угла (360°), определяют параметры спектра погрешностей основного сигнала в виде амплитуды и фазы соответствующих гармоник спектра разностного сигнала, запоминают параметры спектра погрешностей основного сигнала, формируют для любого текущего значения основного сигнала (при эксплуатации) поправку по запомненным значениям и корректируют угловой эквивалент основного сигнала [2].The closest technical solution to this invention is a method of measuring the angle of rotation of the shaft, in which the angle is converted into the main and additional electrical signals with the same angular equivalents in the form of the duty cycle of pulse-width modulated (PWM) signals, form a difference signal from them in uniformly located angular positions shaft in the entire range of measuring the angle (360 °), determine the parameters of the error spectrum of the main signal in the form of the amplitude and phase of the corresponding harmonics of the separation spectrum signal, remember the parameters of the error spectrum of the main signal, form for any current value of the main signal (during operation) a correction for the stored values and adjust the angular equivalent of the main signal [2].

При реализации известного способа каждый из датчиков, преобразующих угол поворота в основной и дополнительный электрические сигналы, может быть выполнен в виде последовательно соединенных индукционного редуктосина (ИР), преобразователя амплитудно-модулированных (AM) сигналов в фазомодулированные (ФМ) сигналы и преобразователя ФМ-сигналов в ШИМ-сигналы, скважность которых эквивалентна углу поворота ИР относительно его статора.When implementing the known method, each of the sensors that convert the angle of rotation into the main and additional electrical signals can be made in the form of series-connected induction reduktosin (IR), a converter of amplitude-modulated (AM) signals to phase-modulated (FM) signals, and a converter of FM signals in PWM signals, the duty cycle of which is equivalent to the angle of rotation of the IR relative to its stator.

Систематические погрешности преобразования угла поворота как в основной, так и в дополнительный электрические сигналы в известном способе представляют собой спектры пространственных гармоник, кратных числу зубцов ротора Р и числу зубцов статора М соответствующих ИР. Установив при реализации известного способа два ИР с некратными друг другу числами Р и М для формирования основного и дополнительного электрических сигналов, получают возможность выделить спектр погрешностей основного сигнала и затем его скомпенсировать. Дополнительный сигнал нужен только для определения погрешностей основного сигнала в режиме его калибровки во всем диапазоне измерения, т.е. полного оборота вала, и в дальнейших измерениях не используется. Но для формирования дополнительного сигнала требуются такие же преобразователи угла поворота в угловой эквивалент, как и для основного сигнала, что значительно усложняет устройство для реализации способа и не всегда приемлемо, особенно в ТГС. Кроме того, ряд ТГС имеют углы прокачки менее полного оборота, что не позволяет использовать данный способ измерения угла поворота.The systematic errors of converting the angle of rotation in both the main and additional electrical signals in the known method are spectra of spatial harmonics that are multiples of the number of teeth of the rotor P and the number of teeth of the stator M of the corresponding IR. Having established, when implementing the known method, two IRs with multiple numbers P and M to form the main and additional electric signals, it becomes possible to isolate the error spectrum of the main signal and then compensate for it. An additional signal is needed only to determine the errors of the main signal in the calibration mode over the entire measurement range, i.e. full rotation of the shaft, and is not used in further measurements. But for the formation of an additional signal, the same angle-to-angle converters are required as for the main signal, which greatly complicates the device for implementing the method and is not always acceptable, especially in TGS. In addition, a number of TGSs have pumping angles of less than a full revolution, which does not allow the use of this method of measuring the angle of rotation.

Однако в ТГС установлены акселерометры, чувствительность которых в ограниченных диапазонах углов поворота относительно положения максимальной чувствительности достаточна для получения достоверной информации о величине углов поворота в этих диапазонах. Для минимизации ошибок при определении параметров спектра погрешностей основного сигнала каждый из угловых диапазонов должен быть кратным или близким к кратности целому числу периодов спектра погрешностей основного сигнала.However, accelerometers are installed in the TGS, the sensitivity of which in limited ranges of rotation angles relative to the position of maximum sensitivity is sufficient to obtain reliable information about the value of rotation angles in these ranges. To minimize errors in determining the parameters of the error spectrum of the main signal, each of the angular ranges should be a multiple or close to multiplicity of an integer number of periods of the spectrum of the error of the main signal.

Разностный сигнал должен содержать взаимные отклонения между основным и дополнительным сигналами в выбранных в режиме калибровки угловых положениях вала. Поэтому основной и дополнительный сигналы должны быть представлены одинаковыми угловыми эквивалентами, например в виде скважности ШИМ-сигналов. Если дополнительный сигнал с выхода акселерометра представляет собой постоянное напряжение или ток, то на его выходе следует установить преобразователь напряжения в ШИМ-сигнал, например, на основе генератора пилообразного напряжения с периодом, равным периоду ШИМ основного сигнала.The difference signal must contain mutual deviations between the main and additional signals in the angular positions of the shaft selected in the calibration mode. Therefore, the primary and secondary signals must be represented by the same angular equivalents, for example, in the form of the duty cycle of PWM signals. If the additional signal from the accelerometer output is a constant voltage or current, then a voltage to PWM signal converter should be installed at its output, for example, based on a sawtooth voltage generator with a period equal to the PWM period of the main signal.

Дополнительный сигнал акселерометра может содержать низкочастотную составляющую, вызванную погрешностью определения аддитивной составляющей или масштабного коэффициента и существенно влияющую на погрешность определения параметров спектра основного сигнала. Для повышения точности определения параметров спектра погрешностей основного сигнала эту составляющую следует удалить из разностного сигнала. Для этого разностный сигнал аппроксимируют полиномом второго … четвертого порядка и вычитают этот полином из разностного сигнала, а по полученной разности определяют спектр погрешностей основного сигнала в ограниченном диапазоне работы акселерометра, который затем экстраполируют на весь диапазон измерения угла.The additional signal of the accelerometer may contain a low-frequency component caused by the error in determining the additive component or scale factor and significantly affecting the error in determining the spectrum parameters of the main signal. To increase the accuracy of determining the parameters of the error spectrum of the main signal, this component should be removed from the difference signal. For this, the difference signal is approximated by a second ... fourth order polynomial and this polynomial is subtracted from the difference signal, and the error spectrum of the main signal is determined in the limited range of the accelerometer, which is then extrapolated to the entire angle measurement range.

Таким образом, в предложенном способе преобразуют угол поворота в основной и дополнительный электрические сигналы с одинаковыми угловыми эквивалентами, формируют из них разностный сигнал в равномерно расположенных угловых положениях вала в одном или нескольких ограниченных угловых диапазонах, выбирают каждый из угловых диапазонов кратным или близким к кратности целому числу периодов спектра погрешности основного сигнала, выделяют низкочастотную составляющую разностного сигнала путем его аппроксимации полиномом, вычитают низкочастотную составляющую из разностного сигнала, определяют параметры спектра погрешности основного сигнала по результату вычитания, запоминают их и экстраполируют на весь диапазон измерения, формируют для любого текущего значения основного сигнала поправку и корректируют угловой эквивалент основного сигнала.Thus, in the proposed method, the rotation angle is converted into the main and additional electrical signals with the same angular equivalents, a difference signal is generated from them in uniformly located angular positions of the shaft in one or more limited angular ranges, each of the angular ranges is selected to be multiple or close to a multiple of the whole the number of periods of the spectrum of the error of the main signal, select the low-frequency component of the difference signal by approximating it with a polynomial, subtract low the total component from the difference signal, the parameters of the error spectrum of the main signal are determined by the result of subtraction, they are stored and extrapolated to the entire measurement range, a correction is generated for any current value of the main signal, and the angular equivalent of the main signal is corrected.

Использование нескольких угловых диапазонов позволяет более точно определить параметры спектра основного сигнала за счет их усреднения.The use of several angular ranges makes it possible to more accurately determine the spectrum parameters of the main signal due to their averaging.

Угловыми эквивалентами могут быть скважность ШИМ-сигналов, частота сигналов (импульсов), амплитуда напряжения, тока, фазовый сдвиг двух сигналов и т.д.The angular equivalents can be the duty cycle of the PWM signals, the frequency of the signals (pulses), the amplitude of the voltage, current, phase shift of the two signals, etc.

Один из вариантов устройства для реализации предложенного способа представлен на фиг.1. Устройство содержит преобразователь 1 угла поворота в ШИМ-сигнал, акселерометр 2, блок 3 функционального преобразования напряжения, преобразователь 4 напряжения в ШИМ-сигнал, вычитатель 5, аппроксиматор 6, вычитатель 7, вычислительный блок 8, блок 9 памяти, формирователь 10 поправки и вычитатель 11. Преобразователь 1 и акселерометр 2 связаны с входным валом 12. Преобразователь 1 может быть выполнен в виде последовательно соединенных индукционного редуктосина, блока преобразования АМ-сигналов в ФМ-сигналы и блока преобразования ФМ-сигналов в ШИМ-сигналы. Блок 3 предназначен для преобразования выходного напряжения U₂ акселерометра 2, изменяющегося по синусоидальному закону от угла поворота вала 12, в напряжение U₃, пропорциональное углу поворота вала 12. Помимо этого, в блоке 3 учитываются начальная аддитивная составляющая U₀ погрешности блоков 2, 3, 4 и масштабные коэффициенты M₁, М₂ при повороте вала 12 с акселерометром 2 в обе стороны от исходного положения. Выходное напряжение U₃ блока 3 функционального преобразования в зависимости от выходного напряжения U₂ акселерометра 2 изменяется по закону:One of the variants of the device for implementing the proposed method is presented in figure 1. The device comprises a rotation angle converter 1 to a PWM signal, an accelerometer 2, a voltage functional conversion unit 3, a voltage to 4 PWM signal converter 4, a subtractor 5, an approximator 6, a subtractor 7, a computing unit 8, a memory unit 9, an amendment generator 10 and a subtractor 11. The Converter 1 and the accelerometer 2 are connected to the input shaft 12. The Converter 1 can be made in the form of series-connected induction gear reducer, a block for converting AM signals to FM signals and a block for converting FM signals to PWM-s persecuted. Block 3 is designed to convert the output voltage U _{2 of the} accelerometer 2, which varies sinusoidally from the angle of rotation of the shaft 12, to the voltage U ₃ proportional to the angle of rotation of the shaft 12. In addition, in block 3, the initial additive component U _{0 of the} error of blocks 2, 3 is taken into account , 4 and scale factors M ₁ , M ₂ when the shaft 12 is rotated with the accelerometer 2 in both directions from the initial position. The output voltage U ₃ of the functional conversion unit 3, depending on the output voltage U _{2 of the} accelerometer 2, changes according to the law:

где М=M₁ или М=M₂ в зависимости от направления поворота (знака U₂).where M = M ₁ or M = M ₂ depending on the direction of rotation (sign U ₂ ).

Значения U₀ и M₁ или М₂ устанавливаются в блоке 3 при настройке акселерометра 2 вместе с блоками 3 и 4. Вычитатель 5 формирует разностный ШИМ-сигнал. Совокупность блоков 6…10 может быть реализована на одном микроконтроллере типа C8051F007 фирмы Cygnal с подключением входов и выходов, соответствующих его работе с ШИМ-сигналами.The values of U ₀ and M ₁ or M ₂ are set in block 3 when setting up the accelerometer 2 together with blocks 3 and 4. Subtractor 5 generates a difference PWM signal. The set of blocks 6 ... 10 can be implemented on a single microcontroller type C8051F007 company Cygnal with the connection of inputs and outputs corresponding to its work with PWM signals.

Устройство работает в режиме калибровки и измерения. В режиме калибровки устанавливают вал 12 в угловое положение, соответствующее наибольшей чувствительности акселерометра 2 в направлении силы тяжести, измеряют аддитивную составляющую U₀ и масштабные коэффициенты M₁, M₂ блоков 2…4. По результатам измерения проводят настройку блока 3 так, чтобы входные сигналы вычитателя 5 изменялись с одинаковым масштабом при повороте вала 12. Поворачивают вал 12 в равномерно расположенные угловые положения в обе стороны от исходного положения в выбранном угловом диапазоне, кратном или близком к кратности числу зубцов ротора и числу зубцов статора ИР, установленного в преобразователе 1. В вычитателе 5 формируется разностный сигнал между основным и дополнительным сигналами с выходов преобразователей 1 и 4. В блоке 6 аппроксимируют разностный сигнал полиномом второго … четвертого порядков для выделения низкочастотной составляющей погрешности блоков 2, 3, 4 в процессе калибровки и с помощью вычитателя 7 исключают влияние этой составляющей. В результате на выходе вычитателя 7 формируется сигнал, соответствующий спектру погрешностей преобразователя 1. В вычислительном блоке 8 определяют параметры спектра (амплитуду и фазу или амплитуду синусной и косинусной составляющей каждой из высокочастотных гармоник) погрешности, соответствующей преобразователю 1, путем разложения сигнала вычитателя 7 в ряд Фурье. Отсюда и вытекает требование кратности углового диапазона в режиме калибровки целому числу периодов спектра погрешности основного сигнала. Параметры спектра погрешности преобразователя 1 распространяют (экстраполируют) на весь диапазон работы (полный оборот вала 12) и запоминают в блоке 9. На этом режим калибровки заканчивается.The device operates in calibration and measurement mode. In the calibration mode, set the shaft 12 in the angular position corresponding to the greatest sensitivity of the accelerometer 2 in the direction of gravity, measure the additive component U ₀ and scale factors M ₁ , M ₂ blocks 2 ... 4. According to the measurement results, the unit 3 is adjusted so that the input signals of the subtractor 5 change at the same scale when the shaft 12 is rotated. The shaft 12 is rotated to evenly positioned angular positions on both sides of the initial position in the selected angular range that is a multiple or close to the multiplicity of the number of rotor teeth and the number of teeth of the IR stator installed in the converter 1. In the subtractor 5, a difference signal is generated between the main and additional signals from the outputs of the converters 1 and 4. In block 6, they approximate differently A solid signal with a polynomial of the second ... fourth order to isolate the low-frequency component of the error of blocks 2, 3, 4 during the calibration process and using the subtractor 7 exclude the influence of this component. As a result, a signal corresponding to the error spectrum of the converter 1 is generated at the output of the subtractor 7. In the computing unit 8, the spectrum parameters (amplitude and phase or amplitude of the sine and cosine components of each of the high-frequency harmonics) are determined for the error corresponding to the converter 1 by expanding the subtractor 7 signal in a series Fourier. This implies the requirement of the multiplicity of the angular range in the calibration mode to an integer number of periods of the spectrum of the error of the main signal. The parameters of the error spectrum of the transducer 1 are distributed (extrapolated) over the entire operating range (full rotation of the shaft 12) and stored in block 9. This completes the calibration mode.

В режиме измерения угла поворота вала 12 (эксплуатации) для любого текущего значения угла по выходному сигналу преобразователя 1 в формирователе 10 определяется поправка в виде спектра погрешности по запомненным параметрам в блоке 9. В вычитателе 11 производится коррекция выходного ШИМ-сигнала преобразователя 1. Поскольку между углом поворота и спектром погрешностей имеется долговременная устойчивая связь, запомненные в блоке 9 при калибровке параметры спектра погрешностей преобразователя 1 используются в течение длительного периода времени между регламентными проверками (калибровками).In the mode of measuring the angle of rotation of the shaft 12 (operation) for any current angle value from the output signal of the converter 1 in the shaper 10, a correction is determined in the form of an error spectrum by the stored parameters in block 9. In the subtractor 11, the output PWM signal of the converter 1 is corrected. the angle of rotation and the error spectrum there is a long-term stable connection, the parameters of the error spectrum of the converter 1 stored in block 9 during calibration are used for a long period of time Differences between routine checks (calibrations).

Второй вариант устройства (фиг.2) для реализации способа может быть выполнен с помощью преобразователя 13 ШИМ-сигналов в постоянное напряжение, вход которого соединен с выходом преобразователя 1, а выход подключен к одним входам вычитателей 5, 11 и формирователя 10. Наименование и функциональное назначение блоков на фиг.2 совпадает с одинаково обозначенными блоками на фиг.1. Выход блока 3 подключен непосредственно (минуя преобразователь 4) к другому входу вычитателя 5. Блок 13 вырабатывает постоянное напряжение, пропорциональное скважности входных ШИМ-сигналов. Вычитатель 5 формирует разностный сигнал в виде постоянного напряжения. Аналогично вычитателю 5 выполнен и вычитатель 11. Совокупность блоков 6…11 может быть реализована на микроконтроллере типа C8051F0XX фирмы Cygnal с подключением входов и выходов, соответствующих АЦП и ЦАП, входящих в состав микроконтроллера. В этом варианте угловыми эквивалентами являются значения постоянного напряжения на выходах блока 3 и преобразователя 13.The second version of the device (figure 2) for implementing the method can be performed using the Converter 13 PWM signals to DC voltage, the input of which is connected to the output of the Converter 1, and the output is connected to one of the inputs of the subtractors 5, 11 and the shaper 10. Name and functional the assignment of the blocks in FIG. 2 coincides with the equally labeled blocks in FIG. 1. The output of block 3 is connected directly (bypassing converter 4) to another input of subtractor 5. Block 13 produces a constant voltage proportional to the duty cycle of the input PWM signals. Subtractor 5 generates a difference signal in the form of a constant voltage. Similarly to the subtractor 5, the subtractor 11 is also made. The set of blocks 6 ... 11 can be implemented on a Cygnal type microcontroller type C8051F0XX with connecting inputs and outputs corresponding to the ADC and DAC included in the microcontroller. In this embodiment, the angular equivalents are the DC voltage values at the outputs of block 3 and converter 13.

Третий вариант устройства (фиг.3) для реализации способа выполнен с помощью преобразователя 14 ШИМ-сигналов в код и преобразователя 15 напряжения в код. Совокупность блоков 3, 5…11 может быть реализована на любом микропроцессоре. Угловым эквивалентом в таком устройстве являются выходные коды преобразователей 14 и 15.The third version of the device (figure 3) for implementing the method is performed using the Converter 14 PWM signals to code and the Converter 15 voltage to code. The combination of blocks 3, 5 ... 11 can be implemented on any microprocessor. The angular equivalent in such a device is the output codes of the converters 14 and 15.

Технический эффект от использования предложенного способа измерения угла поворота вала состоит в упрощении его реализации путем исключения дополнительного редуктосина или другого датчика угла и блоков для преобразования его информации в угловой эквивалент, а также повышении точности угловой ориентации ТГС и других устройств с ограниченными углами прокачки.The technical effect of using the proposed method for measuring the angle of rotation of the shaft is to simplify its implementation by eliminating additional reductosin or another angle sensor and blocks to convert its information into an angular equivalent, as well as increasing the accuracy of the angular orientation of the TGS and other devices with limited pumping angles.

Источники информацииInformation sources

1. Авторское свидетельство СССР №1159162, кл. H03M 1/46, 1983.1. USSR copyright certificate No. 1159162, cl. H03M 1/46, 1983.

2. Авторское свидетельство СССР №1381711, кл. H03M 1/64, 1/50, 1986.2. USSR author's certificate No. 1381711, cl. H03M 1/64, 1/50, 1986.

Дополнительные источники информацииAdditional sources of information

1. Авторское свидетельство СССР №1786662, кл. H03M 1/46, 1993.1. USSR Copyright Certificate No. 1786662, cl. H03M 1/46, 1993.

2. Патент РФ №2235422, кл. H03M 1/46, 2003.2. RF patent No. 2235422, class. H03M 1/46, 2003.

3. Патент РФ №2108663, кл. H03M 1/64, 1998.3. RF patent №2108663, cl. H03M 1/64, 1998.

4. Патент РФ №2266614, кл. H03M 1/64, 2004.4. RF patent No. 2266614, cl. H03M 1/64, 2004.

Claims

A method of measuring the angle of rotation of the shaft, based on converting the angle to the main and additional electrical signals with the same angular equivalents and generating a difference signal from them in uniformly distributed angular positions of the shaft, determining the parameters of the spectrum of the error of the main signal and remembering them, determining the measurement error in an arbitrary angular position and correction of the angular equivalent of the main signal, characterized in that evenly spaced angular positions in one sludge are selected and several limited angular ranges, each of the angular ranges is selected to be a multiple or close to the multiplicity of an integer number of periods of the spectrum of the error of the main signal, the low-frequency component of the difference signal is extracted by approximating it with a polynomial, the low-frequency component is subtracted from the difference signal, the parameters of the error spectrum of the main signal are determined from the obtained difference extrapolate the error spectrum obtained in a limited angular range to the entire angle measurement range.