1 引 言
圆感应同步器数显表测角系统是以圆感应同步器作为角度传感器,是以数显表为信号激磁、信号处理及数字显示的角位移测量仪表。它通常由数显表电路和圆感应同步器构成闭环系统。由于该系统是基于电磁感应原理进行工作的,故系统本身有电磁滞后,系统的内部电路、感应同步器转子等构成的惯性环节都将引起跟踪误差,而且角频率越大,由滞后带来的跟踪误差也越大。所以圆感应同步器数显表测角系统静态测角精度很高,可以达到1″~2″(角秒),但当测量速度较高时,动态测量误差将大大增加。本文提出了圆感应同步器数显表检测在静态时用直接比较法,在动态时用动态增量法,并分析了动态测量精度较低的原因,提出了两种提高动态测量准确度的方法,最终达到了较好的效果。
2 圆感应同步器数显表测角系统的工作原理
以调幅型闭环数显表测角系统为例,根据圆感应同步器的工作原理,若给定子正、余弦绕组输入交流激磁信号Us和Uc, Us= Umsinθ电cosωt, Uc=Umcosθ电cosωt则转子上感应出如下式所表示的检测信号:
式中:K为比例系数;θ机为定、转子机械位移角,θ机与实际相对位移α之间的关系为θ机= (α/T)×360°;T为检测信号周期。这样,我们就将圆感应同步器的输出检测信号和圆感应同步器的相对位移θ机及激磁信号θ电联系起来了。当定子、转子处于输出信号相对平衡状态时(即θ机=θ电),检测信号e=0,定、转子相对位移Δθ机后,θ机≠θ电则e≠0,
且e的数值反映出Δθ机的大小。圆感应同步器数显表测角系统框图如图1所示。
系统工作过程如下:当定、转子相对转动时,从D/A转换器输出的激磁信号Us、Uc分别对转子两相绕组激磁,这样,在定子上感应出检测信号e,e经前置放大,A/D转换,再由位移脉冲形成代表Δθ机的位移脉冲。在控制逻辑的控制下,位移脉冲一方面送显示计数器,计下位移脉冲数,并通过数码显示器,显示出定、转子间的相对角位移∑Δθ机。另一方面,位移脉冲也送到转换计数器,用转换计数器控制D/A转换,使激磁信号的电相角θ电产生一个增量Δθ电校正激磁电压的幅值,从而使系统在跟踪点上处于相对平衡状态,此时θ机=θ电,即实现了θ电跟踪θ机。
3 圆感应同步器数显表静态检测方法
圆感应同步器数显表静态检测系统由旋转式圆感应同步器、数显系统、23面体和自准直仪组成。23面体用来提供测量时的真值,数显系统和旋转式圆感应同步器组成闭合回路用来提供测量值。自准直仪用来提供检测目标。在检测过程中,采用720极的圆感应同步器,一个周期为一度,数字信号处理芯片采用AD2S80A,分辨率为1秒。
在利用圆感应同步器数显表测角之前,应该首先把整个系统安装和调试好,数显表静态检测系统如图2所示。其中旋转式圆感应同步器的安装要保证定子绕组中心和转子绕组中心与旋转轴心同心,定、转子基板平面平行并与旋转轴垂直。同样,23面体固定在旋转式感应同步器上时也要保证与旋转轴心同心并与旋转轴垂直。安装基面的平整度、平行度,同轴心线的垂直度及转轴的径向和轴向误差应控制在0.05mm内。
将23面体通过芯轴固定在旋转式圆感应同步器上,用0.1″自准直仪瞄准多面体,同时调节23面体和自准直光管,使自准直仪十字丝返回的像在视场中心。用自准直仪瞄准多面体第1面,编码器置零,此点作为测量起始点,测量时以23面体自身的标准角为准,使感应同步器转子按23面体的标准角分别转动23个面,然后用自准直仪测量其误差值。
事实上多面体的安装塔差、同轴度误差、面形变化都可能改变实际检测条件下测得的值。因此,在检测前关键是按照上述方法较好地安装整个检测系统。测量数据如表1所示。
4 圆感应同步器数显表动态检测方法
圆感应同步器数显系统的动态测量误差是当系统动态时测量值与真实值的差异。感应同步器是基于电磁感应原理工作的,故电磁滞后是不可避免的。当转速加大时,其滞后量也将加大,这将导致动态测量误差的增加,数显表电路采用电气细分,在每个细分点上使θ电跟踪θ机,它要求跟踪脉冲的实时性,这样会受到数显系统最大跟踪频率的限制。另外,由于数显系统是采用偏差控制的负反馈系统,所以在测量原理上存在动态滞后误差。在此我们提出了动态增量法用于检测数显表动态精度。动态误差是静态误差和动态增量误差的合成误差。我们设计了一套装置来测量圆感应同步器数显系统的动态误差,该测量装置的原理框图如下图3所示。
感应同步器转子上装有光学狭缝,称为运动光狭缝。光源部分和一个接收光狭缝固定安装。检测误差时,使圆感应同步器以几乎静止的状态反复通过光狭缝,取测量的平均值作为系统的真值,然后由电机驱动圆感应同步器转子按一定速度转动,每次当运动光狭缝转到接收光狭缝正下方时,光源发出的光信号被光电传感器接受,产生电脉冲,再经过放大、整形、脉冲形成电路,产生一标准电脉冲。一方面,利用此脉冲作为锁存信号将数显表中的测量值锁定,另外,此锁存信号也被输入到I/O接口电路中,通知计算机将显示的测量值采集到计算机中,存入文件并进行分析处理。如果测得一系列数显表的测量值及角度的真值,便可得知圆感应同步器数显表动态测量误差。动态测量误差如表2所示。
光学狭缝宽度虽然很窄(数十微米),但感应同步器的转子转速较低(每秒数十度),所以光电传感器输出的电脉冲沿具有一定宽度。在不同转速下,脉冲上升到同一高度时的机械位置不同,该脉冲沿宽度不同,最终产生的锁存脉冲延迟也不同,所以锁存内容并不能保证是相同角位置的测量值。
由上述数据可知:
(1)随着测量转速的增大,动态测量误差有增大的趋势。
(2)动态测量误差有较为明显的起伏,这是由于电气角度增量的离散性所致,也受到圆感应同步器零位误差、细分误差的影响。
5 提高圆感应同步器数显表动态检测精度的方法
(1)提高跟踪脉冲频率,增大门槛工作的极限转速。由表2可以看出,当转速低于31·8°/s时,系统动态误差较小。当高于48·4°/s时,动态误差显著增大。这是因为转速高于48·4°/s时,系统的粗门槛电路开始工作,引起动态误差的显著增大。若提高跟踪脉冲频率,便可提高精门槛的最高工作转速,必将显著提高数显表的动态测量精度,也将增大该系统的工作带宽。这是一种简单有效的方法。
(2)根据测量到的误差数据(如表2)可以拟合出一条系统的误差补偿曲线,是转速的函数,在不同测量转速下,使的值与实测的动态误差值最为接近。
这样,可用去修正测量值,以减少系统的系统误差,提高测量准确度。方法的原理框图如图1,其中为误差补偿函数。
6 结 论
本文提出了圆感应同步器数显表静态测角和动态测角的检测方法,并将其应用到了XXX型红外电视经纬仪数显表系统的检测中,从实际应用中证明了这些方法的合理性。对动态测量误差进行了简单的分析,给出了两种提高动态测量精度的方法。由于影响圆感应同步器数显表动态测角精度的因素比较复杂,所以对动态精度补偿的研究还需做进一步的探讨。
参考文献:
[1]端木时夏,刘纪苟.感应同步器及其数显技术[J].上海:同济大学出版社,1990.
[2]方红.感应同步器数显表自动检测装置的研制[J].计量技术,1988,291(11):40~42.
[3]陆永平,岑文远.感应同步器及其系统[M].北京:国防工业出版社,1985.
作者简介:石治国(1979-),男,河南省人,中国人民解放军92941部分91分队助理工程师,主要从事光学测量方面的研究。
E-mail:guozhishi@126.com
