一种旋转变压器测角系统的数字标定及补偿方法26收稿日期:2006-11-22改稿日期:2006-12-12基金项目: 十五 航空支撑技术预研项目(418010501-3)一种旋转变压器-RDC 测角系统的数字标定及补偿方法李声晋,周奇勋,卢 刚(西北工业大学,陕西西安710072)摘 要:针对旋转型直接驱动伺服电机转轴角位置精密测量,采用了由旋转变压器-RDC 构成的高精度测角系统,介绍了测角系统的硬件构成和RDC 及其相关参数的选择。
为提高测角系统的精度与可靠性,提出了一种数字标定方法,根据对标定曲线的分析得到了RDC 的突跳误差和旋转变压器的交轴误差,并提出了采用软件消除和补偿误差的措施。
实验结果表明,通过数字标定和误差补偿后的测角系统精度达到3角分。
关键词:旋转变压器;数字转换器;测角系统;数字标定;误差补偿中图分类号:T M 383.2 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2007)06-0026-03D igit al Ca libration and Co m pensation M et hod for Angle M easure Syste m Based on R esolver-RDCLI Sheng -ji n ,Z HOU Q i -xun,LU Gang(No rthw estern Po lytechn ica lU niversity ,X ia 'n 710072,Ch i n a)Abstract :A k i nd of high prec ise angu lar measure m ent syste m based on reso lver-RDC for m easuri ng revo lv i ng and d i rec t-dri v ing servo m oto r w as used .T he angular m easurement syste m schem e was i n troduced .T he feature of reso l ve r and RDC and the cho i ce of the ir co rre lati ve para m eter we re proposed also .To enhance m easure precisi on and reliab ili ty ,a kind o f d i g ita l ca li bration w as presented .A fter analyzi ng the cu rve o f cali brati on ,t he leap erro r of RDC and t he o rt hogona l error o f reso l ver we re educed t he error compensati on m ethod by so ft w are w as i ntroduced .Exper i m ents verifyed t he angular m easure m en t syste m s 'prec i sion w as achieved 3m i nute o f arc .K ey word s :resolver ;reso lver to dig ital converter(RDC);ang l e m easure sy stem;dig ital ca li b ration ;erro r compensati on0引 言高性能无齿轮减速式(也称直接驱动)旋转伺服系统的关键之一是如何精确测量伺服电机输出轴的角度位置,常用的测角度传感器有绝对式光栅编码器、霍尔传感器和旋转变压器。
绝对式光栅编码器直接将转轴角度转换成数字信号,应用简单方便,但因环境适应性、价格等因素致使难以广泛应用;霍尔传感器结构简单,但难以达到高精度角度测量要求而受到限制;旋转变压器因结构可靠、实时性好、环境适应性强等优点而广泛应用于高精度伺服系统中[1,2]。
旋转变压器的输出包含位置信息的模拟量,需处理成相应的数字信号才能与DSP 等数字伺服控制器联接[3,4],本伺服系统采用正余弦旋转变压器和AD 公司的数字转换器构成测角系统。
测角系统的测量精度主要由旋转变压器的测量精度和RDC 的转换精度决定,影响正余弦旋转变压器测量精度的主要因素为旋转变压器存在正余弦函数误差和交轴误差,而这两项误差由于受到加工工艺的限制、磁性材料非线性特性和装配精度的影响,在一定程度上很难得到较大的改善[5],而且所加工的同一批旋转变压器具有非常相近的误差特性。
针对这一特点,本文提出了一种数字标定方法,通过数字标定不但可以分析旋转变压器的误差特性,计算两对极旋转变压器在180!机械角位置每一处的角度误差,而且可以测量RDC 在转换过程中由于受到干扰而产生的误差。
根据数字标定结果,本文最后介绍了采用软件消除RDC 转换误差与补偿旋转变压器测角误差的方法,并且通过实验验证了数字标定和误差补偿后的测角系统测量精度可提高到3角分,可广泛应用于精密伺服系统中。
1测角系统的硬件构成1.1旋转变压器工作原理所涉及伺服系统在机械结构上具有180!对称性,选用两对极分装式无刷型正-余弦旋转变压器可以唯一定位180!机械角位置,能满足系统绝对定位要求。
旋转变压器内部使用一套电磁式环形变压器代替普通的电刷滑环,消除了无线电干扰,提高了工作寿命和可靠性[6,7]。
其工作原理如图1所示。
将旋转变压器与伺服电机同轴安装,在旋转变压器定子绕组R 1R 3加入一定幅值和频率的激励信一种旋转变压器测角系统的数字标定及补偿方法27图1 旋转变压器结构原理图号(本文激励信号的幅值为5V,频率为18k H z)。
U r =V sin t 设旋转变压器转轴角位置为 ,则输出绕组S 1S 3、S 2S 4的输出信号分别为U 1=V sin t sin U 2=V sin t cos1.2RDC 电路设计旋转变压器输出的位置信号U 1和U 2为模拟量,必须通过模拟到数字的解算电路才能与数字伺服控制器接口。
本测角系统的RDC 采用AD2S80A,该芯片是美国AD 公司生产的以鉴幅方式对正-余弦旋转变压器信号进行处理的专用芯片,转换精度可设定为10、12、14、16b it 的分辨率,不同分辨率对应的最大跟踪速率分别为62400、15600、3900、975r /m i n ,允许用户通过外围器件的不同连接选用不同的分辨率,本系统综合考虑转换精度与跟踪速率选用12b it 的分辨率。
RDC 与外围器件的接口电路如图2所示,芯片内部无激励电路,图2 AD2S80A 外围电路图需外部的正弦波发生电路提供幅值为5V 、频率为18k H z 正弦信号接入参考I /P 引脚,旋转变压器的正/余弦信号分别接入SI N 、SI N GOUND 和COS 、COS GOUND 引脚,通过数字转换输出与电机转轴角位置成线性关系的12b it 二进制码直接送入伺服系统的CP U TM S320F2812中。
图2中,外接元件R 1、R 2、C 1、C 2构成高频滤波器;R 3、C 3确定基准输入交流耦合参数,其选取应该以基准频率f REF 不产生明显相移为准则;改变C 4、C 5、R 5值可以改变闭环带宽;C 6、R 7构成相位补偿电路,通常选C 6=470pF,R 7=68 ;R 8和R 9调节积分器输入端的失调电压和偏置电流。
具体参数选取可参考应用手册中设计步骤的公式或规则得到[7]。
2测角系统的数字标定2.1数字标定的硬件构成数字标定方法如图3所示,用光栅编码器作为反映电机转轴的标准位置来标定测角系统。
将增量式光栅编码器和旋转变压器与伺服电机同轴连接,电机转轴旋转时,光栅编码器输出两路相位差为90!的脉冲信号A 和B ,脉冲个数与转轴角位移成比例关系,将脉冲信号送入DL750显示并保存。
DL750示波记录仪具有16路模拟通道和16位逻辑输入;内置30GB 硬盘具有大容量波形或数据记录与存储功能[8]。
旋转变压器的输出信号U 1和U 2输入至AD2S80A 进行数字转换后输出12位数字信号输入DL750。
DL750将光栅编码器和AD2S80A 两路反映电机转轴位置的14位二进制码(其中低2位为光栅编码器的A 、B ,高12位为AD2S80A 的数据)转换为10进制数进行存储并上传至计算机进行后处理。
图3 数字标定的硬件框图2.2数字标定的软件设计为防止信号丢失,示波记录仪的采样频率必须远大于位置信号的变化频率,但这样会使计算机接收到的示波记录仪的数据为大量重复的十进制码。
为减少软件处理时间,数据处理程序首先将重复的数据压缩,得到电机转轴每一个位置对应一组数据,然后再将其分解成光栅编码器的测角数据和旋转变压器的测角数据。
光栅编码器每圈10800脉冲,将其4倍频后得到每圈43200脉冲,其测量精度为0 25角分。
电机旋转时,将光栅编码器脉冲个数累加,可得到电机转轴位置,计算公式为g =count ∀36043200其中: g 为光栅编码器所测电机转轴的机械角度(单位为度),count 为脉冲个数累加器。
将测角系统的测角数据转换为电机转轴位置,转换公式为c =ap s ∀3604096∀p其中: c 为测角系统所测电机转轴的机械角度,p =一种旋转变压器测角系统的数字标定及补偿方法282为旋转变压器极对数,ap s为AD2S80A输出的12位数字信号,范围为0~4095。
最后将 g和 c绘制在同一张图中,取电机转轴在旋转中的某一圈,得到数字标定曲线如图4所示。
图4测角系统数字标定曲线通过对测角系统的数字标定后,在标定曲线中可看出测角系统的输出曲线 c与光栅编码器输出曲线 g存在偏离,说明其存在测角误差。
3误差分析及补偿根据图4中数字标定曲线,可以定量计算出测角系统的测角误差。
以光栅编码器的测量角度为基准,测角误差为 err= g- c,绘制出误差曲线如图5所示。
图5 测角系统角度误差曲线3.1RDC突跳误差分析及消除从误差曲线中很明显可以看出测角系统的输出存在比较大的突跳误差,这是因为AD2S80A在转换过程中由于数据传输线较长易受到干扰和系统的电磁干扰等原因而出现毛刺信号,突跳误差高达4!。
由于误差的特殊性,可采用去除奇异值滤波或限幅滤波等简单的数字滤波方法将毛刺信号滤掉。
简单的数字滤波处理所用的时间非常短,不会使反馈信号出现较大延时而对伺服系统带来负面影响,本文采用去除奇异值滤波后得到误差曲线如图6所示。
图6 滤波后的测角误差曲线3.2旋转变压器交轴误差分析及补偿旋转变压器在生产和装配过程中由于受到工艺、装配成本等条件限制,会造成其输出量不能完全保持正交而出现交轴误差,由图6容易看出有将近2!周期性的角度误差,且同一批旋转变压器具有很相近的误差特性。