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一种新型的旋转变压器测角误差标定技术

2020-04-03 来源:个人技术集锦
第31卷第1期 2010年1月 仪器仪表学报 、b1_31 No.1 Chinese Journal of ScientifiC Instrument Jan.2010 一种新型的旋转变压器测角误差标定技术 张京娟,张仲毅,刘俊成 (北京航空航大大学仪器科学与光电工程学院北京100191) 摘要:提出了一种新的基于速率转台恒速转动和位置转动相结合的旋转变压器测角误差动静态组合标定方法,准确得到了 0-360。测角误差曲线。采用周期项与趋势项相结合的方法对得到的误差曲线进行建模,并利用傅里叶谐波分析和最小二乘 拟合法对误差的各次项进行补偿。实验证明该方法大幅度的提高了旋转变压器的测角精度,且测试方法简单,操作过程容易, 解决了计算机连续自动采样和复杂谐波分量下的补偿等问题,大大提高了标定效率。 关键词:测角系统;旋转变压器;误差标定 中图分类号:TM383.2 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:5l0.80 Novel method of calibrating the angle-measurement error of resolver Zhang Jingjuan,Zhang Zhongyi,Liu Juncheng (School ofInstrument Science&Opto—electronics Engineering.Beijing University ofAeronautics and Astronautics, Beijing 100191,China) Abstract:A novel method of calibrating the angle—measurement error of resolver is presented,which is based on speed rate table constant—speed rotating and fix—location rotating.In this research,The method can get the whole 0-360。error curve exactly,and the various items of the error are modeled into two parts,cycle—part and trend—part, which are compensated using Fourier harmonic analysis and least square fitting method respectively.Experiments prove that this method significantly improves the accuracy of resolver,and solves the issues about continuous automatic cyber-sampling and compensation under complex harmonic structure,SO that the calibration eficifency has been greatly enhanced. Key words:angle measurement system;resolver;error calibration 统误差,提出利用自准直光管和391齿盘/23面棱体进行 1 引 言 人工标定,较好地标定了测角误差,但是标定工作繁冗。 旋转变压器作为‘种轴角传感器,广泛应用于各个领 文献【6】中提到采用计算机进行采样插值补偿长周期误差 的方法,但是未能给出计算机连续自动采样的解决方法, 因此适用范围受到一定限制。文献[7】利用光栅编码器为标 定设备,而光栅安装容易引入新的误差,并且由于需要安 装光栅,方法不具有强的通用性。 为此,本文提出一种基于速率转台恒速转动与位置 域,特别是对产品可靠性和测角精度要求都比较高的场合 [1 21。但足,由于制造和安装等方面的原因,基于旋转变压 器的测角系统不可避免地会引入一一定的角度测量误差,特 别是对于多极正余弦旋转变压器组成的粗精组合双通道 测角系统,会引入各种不同的谐波误差分量,标定工作尤 为重要 】。从硬件上通过提高生产工艺和安装精度来提高 整体的测角精度,需要投入大量的时问和物力,生产成本 也将随之大幅度提高,因此并不是有效的解决办法。通过 转动相结合的动静态组合标定方法,实现了利用计算机 连续自动采样,准确得到测角系统0~360。的误差曲线和 整体趋势,利用建模标定的方法补偿了各次谐波分量。 试验建模标定的方法,相对简单,可有效地减d,N角误差。 文献『4—5】研究了感应同步器与旋转变压器组合的测角系 收稿日期:2009—03 Received Date:2009-03 测试方法简单,测试过程容易操作,实验证明该方法大 幅度的提高了旋转变压器的测角精度,且具有通用性, 可以推广适用于各种测角系统的标定工作。 150 仪器仪表学报 第3l卷 2误差分析与建模 2.1误差来源分析 ( )=甜+6(5) 式中:a为拟合直线的一次项系数,b为拟合直线的常数项。 以多极正余弦旋转变压器组成的粗精组合双通道测 角系统为例,从误差建模标定的角度考虑,可将误差分 为以下4类:长周期谐波误差、短周期谐波误差、零位 误差和剩余误差。 长周期谐波误差的主要产生原因集中在测角系统中 3动静态组合标定方法实现与标定系统设计 3.1动静态组合标定方法的实现 该方法通过数字标定系统的动态标定试验,即得到 旋转变压器的动态连续输出,标定出旋转变压器的周期 旋转变压器定子和转子安装偏心及其安装上的相对倾斜, 以及轴本身的刚度低,致使轴系几何轴线微小弯曲将产生 转子和定子盘片的偏心及相对倾斜 】。短周期谐波误差则 主要是由于旋转变压器的绕组谐波、磁路饱和、交轴磁场 等因素产生,对粗精组合旋转变压器来说,精通道的安装 误差以及电磁特性都会引起旋转变压器的短周期误差。短 周期谐波误差的影响因素众多,测试困难,在整体误差中 所占的比重很大,这也是误差中要标定的重点。零位误差 是指旋转变压器输出角度的零位与实际的机械零位的偏 差,产生零位误差的原因在于定转子绕组中的幅值偏差、 导体偏差及非有效电势的影响I9]。剩余误差包括除以上三 方面误差外的其它旋转变压器误差。本文将根据以上分析 的主要误差类型进行相应的建模标定。 2.2误差模型建立 建立旋转变压器的整体误差模型触),包括与周期性 有关的模型 ∽和与趋势性有关的模型/2(x),X表示相应 的角度,表达式如下: ,( )= ( )+厂2( ) (1) 利用式(1),如果能依次标定出周期性模型/l(X) ̄l趋 势性模型 ∽,即可求出整体误差模型 )。 其中,周期性误差模型 ㈨包括长周期误差项和短 周期误差项,其中长周期误差项与旋转变压器的安装误 差密切相关,具体表现为360。的零次谐波和一次、二次 谐波,短周期误差项与旋转变压器的电磁特性密切相关, 假设粗精比为l::Ⅳ,短周期误差具体表现为360。/N的零 次谐波和其奇偶次谐波,因此可建模如下: (加∑k=l n( os竽+L  sin竽) (2) Ok= ∑ ( AL.c0s竽 (3) =÷∑ ( _sin竽 (4) 式中: ,’ 分别为傅里叶级数的COS项系数和sin项系 数,L=180, 根据不同的采样频率而不同,k为谐波次 数,n为计算到的谐波最大次数。 趋势性误差模型 ∽主要包含旋转变压器与角度相 关的零次项和一次项误差,可建模如下: 误差项系数;通过静态标定试验,标定出旋转变压器的 一次项和零次项误差,动静态试验相结合完成旋转变压 器的精确误差标定,而后建立模型补偿标定出的旋变误 差。图1给出了完整的动静态组合标定流程示意图。 图1 动静态组合标定流程示意图 Fig.1 Digital calibration lfow chart 3.2动静态组合标定系统设计 该标定系统主要由旋转变压器、速率转台、转台速 率位置控制计算机、旋转变压器的信号输出调理与数字 转换计算机组成,如图2所示。 \ 1一测角系统2一主轴3一旋转变压器转子4一旋转变压器定子5一速率转台 6.信号调理与数字转换计算机7.转台速率位置控制计算机 图2标定系统概要示意图 Fig.2 The sketch diagram of the digital calibration system 所用测角系统为某平台惯导系统的双速粗精组合旋 转变压器系统,其粗精比为1:32。 第1期 张京娟等:一种新型的旋转变压器测角误差标定技术 l51 速率转台作为重要的标定设备,经常用于精密仪器 的标定工作,其位置精度和速率精度直接决定了整个标 定实验的精度水半,本文采用的是北京航空精密机械研 究所生产的920型单轴速率位置转台,其位置精度可达 到±3 ,速率精度可以达到1 ̄10-。(09<1。/s)。 旋转变压器的信号输出调理与数字转换模块可以实 时采集测角系统输出的旋转变压器信号,通过工控计算 机内部的旋转变压器数字转换(RDC) 电路,转换成 高精度的数字量读入。本文中实验用的旋转变压器数字 转换模块采用的是连云港中船重工716所的产品,产品 型号为l9XZ2413一¥32,分辨率为19位,精度+-2 。 4标定实验数据分析与结果 4.1动态标定实验数据 转台按照角速度0_3。/s进行旋转,0-360。正负重复 旋转,旋转变压器以50 ms为采样周期,记录旋变数据。 图3为其中一组正转0~360。的旋变数据。 时间/s 图3正转整周旋变输出曲线 Fig.3 The whole clock—wise cycle curve of the resolver output 将动态标定的数据进行线性拟合,拟合直线为转台匀 速转动引起的旋转变压器输出,实际输出与拟合直线的差 值就是旋转变压器的周期误差项,如图4所示。图5为图 4的局部放大,从中可以很明显看出误差呈现周期性。 角度/。 图4旋变误差周期项 Fig.4 The cycle part of the resolver error 图5旋变误差周期项放大图 Fig.5 The cycle part of the resolver elTor zoomed in 对旋变误差周期项进行傅里叶分析,得到式(2)中 周期性有关的误差项系数a ,b 。图6和图7分别是取 n=800时傅里叶分析得到的COS项和sin项系数。 谐波阶数 图6傅里叶分析得到的COS项系数 Fig.6 The COS coefficient of Fourier analysis 谮波阶数 图7傅里叶分析得到的sin项系数 Fig.7 hTe sin coefficient of Fourier analysis 由图5的数据发现,周期性误差中长周期的谐波分 量以360。的一次谐波和二次谐波为主,短周期较为明显 的最小谐波分量是从11.25。左右开始的,存在11.25。的二 次谐波分量,三次谐波分量,四次谐波,共同叠加成了 旋变误差的短周期变化。 利用绝对值大于5的系数组成标定模型,对图4中 的周期性误差进行补偿,得到图8所示的补偿结果,由 图可见,周期性误差峰峰值由原来的+100 降低到±10 , 误差减少了近一个数量级,由此体现了由动态标定得到 的周期性误差补偿模型的绝对有效性。至于常值误差分 量和一次项分量,还需要通过静态标定试验来补偿。 ∞ 0 粼 I .山 【LL“山I JII‘ Jd l山一 JI 山 I I 山lhJ Id - 媸-20 ’’I1_。” ’丌 T’r’’’ 几 。叮 T1 1’T 丌兀。T 。一1r ・ 1_ .,'-. 40 ‘ ●  l lI l U 5O lOU l50 2【xJ Z5U 3OO 35O 转动角度/。 图8傅里叶拟合之后的剩余误差 Fig.8The residual errorafterFourierfitting 4.2静态标定实验数据 静态标定实验依赖于速率转台的位置精度,标定范 围从0。开始,每次转动角度1O。,这样整周期总共采样 点个数为36个,每个采样点由若干采样值取平均得到。 根据静态试验所得到的测试数据,通过最小二乘拟和的 方法,按照式(5)算得参数值:a=0.015 2,6—17.163。 152 仪器仪表学报 第31卷 综合以上建模标定结果,得到总的模型如下: iting rotation axis system[J].Electric Machines and Con— trol,2005,9(2):1 84—1 86. m):肌)+,2( ∑n>5( 。s竽+ sin竽)+似+b (6) 【6】 李秋明,冯汝鹏, 景贺,等.感应同步器测角系统误 差分析及补偿fJI.中国惯性技术学报,1998,6(1):51—53. 式中:误差项系数 ,b 已南动态标定试验获得,a,b 由静态标定试验获得。 5结 论 本文对旋转变压器测角误差进行了分析,并提出1『 新的标定方法,且进行了多次实测实验与曲线标定补偿, 大幅度提高了旋转变压器的测角精度。 实验证明,这种基于速率转台恒速转动与位置转动 相结合的动静态标定方法是切实可行的,所建立的误差 补偿模型大幅度地提高旋转变压器的测角精度。这种方 法解决了计算机连续自动采样和复杂谐波分量下补偿等 问题,大大提高了标定效率,并且此方法具有一定的通 用性,适用于各种测角系统的标定工作。 参考文献 【1】 徐殿国,王宗培,王雅云.旋转变 器轴角数字转换系 统的误差分析[J】.仪器仪表学报,1993,14(3):231—237. 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XU D L,HUANG Q G The technology nad development of digital to synchro/resolver conversion[J].Micromotor, 2006,39(3):8 1—84. 作者简介 第1期 张京娟等:一种新型的旋转变压器测角误差标定技术 153 inertial navigation,integration navigation and etc 张仲毅,2006年北京航空航大大学探 测制导与控制获得 士学位,现为北京航空 航天大学精密仪器及机械专业博士研究生, 卜耍研究方向为惯 与组合导航系统。 E~mail:zzy916@gmail.corn Zhang Zhongyi received his BSc degrees from Beijing University of Aeronautics and As ̄onantics in 2006.Now he is a PhD candidate in Beijing University of Aeronautics and Astronautics.His research interests jnclude inertial navigation,integration navigation and etc. 

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