雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗精組合軸角轉(zhuǎn)換原理及應(yīng)用

趙文香，劉玉晶，張 巍，馬立明

(北方導(dǎo)航控制技術(shù)股份有限公司，北京 100176)

目前，旋轉(zhuǎn)變壓器作為測角元件應(yīng)用很廣，在武器系統(tǒng)中主要應(yīng)用于測量車體的姿態(tài)角、高低角和方位角。在以數(shù)字化戰(zhàn)場為核心的系統(tǒng)中，要想充分發(fā)揮作戰(zhàn)效能，必須提高命中率和快速反應(yīng)能力；因此，提高各個(gè)傳感器的輸出精度尤為關(guān)鍵。旋轉(zhuǎn)變壓器以及相應(yīng)的數(shù)字變換器具有較高的可靠性和抗干擾能力，良好的環(huán)境條件適應(yīng)性和可維護(hù)性，近十年來，各種用途的火控系統(tǒng)都采用了旋轉(zhuǎn)變壓器做為測角、數(shù)據(jù)傳輸和同步控制等[1]。提高測量精度有2種方式：一種是多極旋轉(zhuǎn)變壓器可以提高固有精度；另一種是用2種不同極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)變壓器組成組合電動(dòng)機(jī)，利用提高傳動(dòng)比來提高測量精度。

目前的旋轉(zhuǎn)變壓器大多采用粗精組合來提高其精度，粗精組合時(shí)的糾錯(cuò)問題是粗精組合系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問題。

1 雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器粗精組合軸角轉(zhuǎn)換原理及糾錯(cuò)方法

1.1 粗精組合轉(zhuǎn)換原理

雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器是由2種不同極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)變壓器組成一體的組合電動(dòng)機(jī)。粗通道多選用單極旋轉(zhuǎn)變壓器，精通道選用多極旋轉(zhuǎn)變壓器。粗精組合原理如圖1所示。以前傳動(dòng)比多為20～30，現(xiàn)在傳動(dòng)比已提高，如32、64和128等。

圖1 粗精組合原理圖

粗精組合系統(tǒng)的意義表現(xiàn)在2個(gè)方面：一是以增加元件為代價(jià)，來換取較高的測量精度，而對元件本身的精度并沒有更高的要求， 這就克服了元件制

造工藝水平的限制；二是可以利用2個(gè)精度等級(jí)較差的旋轉(zhuǎn)變壓器和變速箱來代替1個(gè)高精度的旋轉(zhuǎn)變壓器，以完成高精度的角度測量[2-4]。

粗精組合的基本思想是利用放大n后測量，來達(dá)到提高精度的目的。為了提高測角精度，旋轉(zhuǎn)變壓器采用多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器，由旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓公式可計(jì)算出相應(yīng)的粗測角度φ和精測角度θ。將粗精解算結(jié)果φ、θ分別用10位和14位二進(jìn)制表示，粗精組合關(guān)系如圖2所示。

圖2 粗精組合關(guān)系圖

1.2 粗精組合糾錯(cuò)方法

為了提高旋轉(zhuǎn)變壓器的精度(分辨率)，研制出了高精度的多極旋轉(zhuǎn)變壓器。對于多極旋轉(zhuǎn)變壓器來說，其工作原理與單極旋轉(zhuǎn)變壓器完全相同，只是輸出電壓的有效值隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的周期不同。

多極旋轉(zhuǎn)變壓器的粗精組合是利用放大n來提高測角精度；但應(yīng)保證粗讀整數(shù)不能有差錯(cuò)，因?yàn)橐坏┐肿x整數(shù)有錯(cuò)，精讀小數(shù)再準(zhǔn)確也是無意義的。粗軸與精軸之間是靠傳動(dòng)比聯(lián)系的，而粗精兩通道的讀數(shù)彼此是獨(dú)立的。由于種種原因，例如傳動(dòng)誤差、旋轉(zhuǎn)變壓器誤差、編碼電路的誤差，以及測角元件和轉(zhuǎn)換器的誤差不可能完全匹配等，實(shí)際得不到粗精兩通道重合位讀數(shù)的理想配合，這種誤差發(fā)生于粗讀整數(shù)在2個(gè)刻度的邊界狀態(tài)下，有可能使粗通道的最低有效位多計(jì)或少計(jì)1個(gè)數(shù)，因此，應(yīng)對粗通道的最低有效位進(jìn)行糾錯(cuò)。

糾錯(cuò)方法按如下3種情況進(jìn)行，它的基本思想是以精位數(shù)碼為準(zhǔn)來校正粗位數(shù)碼，以粗位與精位的重合位進(jìn)行比較鑒別，完成糾錯(cuò)。

1)精角寄存器的角度在第1象限(θ<90°)時(shí)，粗角寄存器只能少記，不可能多記，根據(jù)精角寄存器的第1、第2位和粗角寄存器的第7、第8位的狀態(tài)，考慮向粗角寄存器的第6位進(jìn)1。

2)精角寄存器的角度在第4象限(270°<θ<360°)時(shí)，粗角寄存器只能多記，不能少記，考慮向粗角寄存器的第6位減1。

3)精角寄存器的角度在第2或第3象限時(shí)，粗角寄存器既不會(huì)多計(jì)，也不會(huì)少計(jì)，這時(shí)不必進(jìn)行糾錯(cuò)。

1.3 粗精組合傳動(dòng)比的選擇

多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器測角精度高是因?yàn)樗旧淼木雀?，并且N對極旋轉(zhuǎn)變壓器將單極旋轉(zhuǎn)變壓器的電角度偏差由θ增加到Nθ，提高了小失調(diào)角時(shí)的輸出電壓，相當(dāng)于增大了小失調(diào)角時(shí)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)，根據(jù)控制理論，這樣會(huì)明顯減小系統(tǒng)誤差。

無限制提高旋轉(zhuǎn)變壓器的極對數(shù)，給制造上帶來較大的困難，如果N>8，在制造上基本不可能了。為了進(jìn)一步提高旋轉(zhuǎn)變壓器的精度(分辨率)，往往采用雙通道的旋轉(zhuǎn)變壓器組合。

在實(shí)際工程系統(tǒng)中，往往需要機(jī)械粗精嚙合旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)輸出數(shù)字化，以便得到表示軸角的單值數(shù)字。這類要求常常越來越多地由電器嚙合的旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)?類系統(tǒng)包含有相同的技術(shù)和粗精系統(tǒng)機(jī)電方面的相關(guān)信息。

如果利用10位旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字變換器組成的雙通道系統(tǒng)，選擇粗精之間的傳動(dòng)比為1∶64，即可把精度從10位提高為20位，因?yàn)閭鲃?dòng)比為1∶64，精通道旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)1周，而粗通道旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角為5.625°。

按照武器系統(tǒng)測角的精度和分辨率要求來選定傳動(dòng)比，如已知精通道轉(zhuǎn)換器為14位，系統(tǒng)需要的分辨率為18位，即需要提高4位，則傳動(dòng)比為1∶16。上述解算是由計(jì)算雙通道系統(tǒng)的分辨率的方法反推導(dǎo)而得到的。

按照上述步驟，可以計(jì)算出本系統(tǒng)在精轉(zhuǎn)換器為14位、系統(tǒng)分辨率為20位時(shí)傳動(dòng)比為1∶64。

2 應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)武器裝備系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制，需要將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的四線交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。粗精組合糾錯(cuò)邏輯電路圖如圖3所示。表征軸角θ的四線交流輸出電壓，直接輸入粗、精旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成粗、精數(shù)據(jù)，再輸入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)糾錯(cuò)和處理后即可得表征軸角θ的20位數(shù)字，計(jì)算機(jī)接收上述數(shù)字量進(jìn)行適時(shí)控制[5]。

圖3 粗精組合糾錯(cuò)邏輯電路圖

2.2 粗精組合糾錯(cuò)程序設(shè)計(jì)

該部分軟件設(shè)計(jì)主要是處理數(shù)據(jù)采集程序采集到的數(shù)據(jù)，組合糾錯(cuò)后，輸出真實(shí)角度值。采用的方法是對粗、精通道輸出數(shù)字重合位的電平狀態(tài)進(jìn)行邏輯判斷，這一方法通常稱之為余數(shù)比較法。應(yīng)根據(jù)粗、精通道之間的相對誤差(應(yīng)把它看成是粗通道的誤差)的大小來決定需要多少個(gè)重合位才能判斷有無模糊誤差。當(dāng)粗通道的誤差不大于精軸1圈所代表的角度值的3/8時(shí)，所需邏輯判斷需處理3個(gè)重合位，它們是精軸讀數(shù)(14位)的最高3位(A、B、C位)和與之對應(yīng)的粗軸讀數(shù)(10位)的第F、G、H位，判斷過程如下：

1)當(dāng)ABC=000，F(xiàn)GH=111時(shí)，

K F G H

粗軸讀數(shù)：× × × × × × 111 ×

精軸讀： 000 × × × × × × × × × × ×

A B C

如果把粗軸1圈平均劃為8個(gè)區(qū)域，即M1～M8，把精軸1圈平均也劃為8個(gè)區(qū)域，即N1～N8，(見圖4)，則ABC=000表明精軸的轉(zhuǎn)角在N1區(qū)，F(xiàn)GH=111表明粗軸的轉(zhuǎn)角在M8區(qū)。與此相對應(yīng)，粗軸的FGH=111表明從第F位開始到最末位數(shù)字所代表的角度小于精軸1圈的角度，但大于精軸1圈的7/8，即相當(dāng)于處在精軸的N8區(qū)域。這就產(chǎn)生了一個(gè)問題，既然精軸位于N1，則表明它剛剛轉(zhuǎn)完1整圈。如果粗、精通道同步的話，此時(shí)第K位應(yīng)加上1。但是FGH=111，第F位還沒有向第K位進(jìn)位，第K位上少計(jì)了1個(gè)1，這樣構(gòu)成的組合讀數(shù)，因第K位少1，將產(chǎn)生5.625°的負(fù)誤差。為了糾正這一誤差，應(yīng)在該位加上1個(gè)1。

圖4 粗軸、精軸組合關(guān)系圖

2)當(dāng)ABC=111，F(xiàn)GH=000時(shí)，

K F G H

粗軸讀數(shù)：× × × × × × 000 ×

精軸讀數(shù)： 111 × × × × × × × × × × ×

A B C

由圖4可知，精軸此時(shí)位于N8區(qū)域，而粗軸已經(jīng)進(jìn)入M1區(qū)域，第K位肯定多計(jì)了1個(gè)1，為糾正這一誤差，應(yīng)在該位減去1個(gè)1。

3)當(dāng)ABC=011時(shí)，此時(shí)精軸位于N4，因假定粗通道誤差不大于精軸1圈的3/8，所以粗軸不可能位于M8，在第K位上不會(huì)產(chǎn)生多1或少1的現(xiàn)象，因而無模糊誤差[6]。同理可知，粗、精軸組合糾錯(cuò)規(guī)律見表1。

表1 粗軸、精軸組合糾錯(cuò)碼

該部分軟件的實(shí)現(xiàn)首先分別取出粗軸、精軸的3位，生成2個(gè)二進(jìn)制數(shù)M和N。根據(jù)表1建立一個(gè)3列、12行的十六制的數(shù)組，第1列是M的值，第2列是N值，第3列是相應(yīng)的糾錯(cuò)碼。當(dāng)糾錯(cuò)位需要加1時(shí)，糾錯(cuò)碼是0010(十六進(jìn)制)；當(dāng)糾錯(cuò)位需要減1時(shí)，糾錯(cuò)碼是0010的補(bǔ)碼FFF0。查找數(shù)組，若在數(shù)組中找到對應(yīng)的M、N，那么對粗軸進(jìn)行糾錯(cuò)計(jì)算，粗軸讀數(shù)=粗軸+糾錯(cuò)碼；若查找不到，則不需要進(jìn)行糾錯(cuò)計(jì)算。糾錯(cuò)后算出最后的結(jié)果2個(gè)16位的二進(jìn)制數(shù)RH=粗軸/26(高4位)，RL=粗軸×210/214+精軸(低16位)。組合糾錯(cuò)程序流程圖如圖5所示。

圖5 粗精組合糾錯(cuò)程序流程圖

2.3 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換精度

粗精轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的分辨率取決于粗精傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)換器的分辨率，速比越高和轉(zhuǎn)換器的分辨率越高，整個(gè)系統(tǒng)的分辨率越高，很容易獲得所期望的分辨率。對14位轉(zhuǎn)換器，用于1∶64的精軸系統(tǒng)，得到的分辨率為：

360°/(26+220)=1.2″

粗精機(jī)電系統(tǒng)的傳輸精度可表示為：

(1)

式中，Bt為齒輪箱的齒隙；Ct為相對于粗軸嚙合的圓周誤差；St為精旋轉(zhuǎn)變壓器的精度。

對于數(shù)字粗精系統(tǒng)的傳輸精度需要把轉(zhuǎn)換器的精度加到等式中，這樣，整個(gè)系統(tǒng)的精度為：

(2)

式中，Dt為精轉(zhuǎn)換器的精度。

從式中的第3項(xiàng)(Dt+St)/n可以看出，系統(tǒng)精度與精旋轉(zhuǎn)變壓器的精度和精轉(zhuǎn)換器的精度有關(guān)。

在本系統(tǒng)中，精轉(zhuǎn)換器為14位，Dt=±4.5′；其他部分精度為：St= ±10″，Bt=±(1/2)′，Ct=±(1/4)′，n=64。因此，系統(tǒng)精度為：(1/2)′+(1/4)′+(4.5+1/6)′/64 = 0.82′。

2.4 誤差分析

系統(tǒng)采用粗精組合系統(tǒng)來提高測角精度，由于齒輪及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙，測角元件及線路的精度等會(huì)造成誤差，使得粗精通道不能達(dá)到理想配合。誤差主要包括機(jī)械誤差和其他誤差。

2.4.1 機(jī)械誤差

在實(shí)際應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)變壓器的軸通過齒輪直接與系統(tǒng)的輸入軸連接，齒輪的徑向跳動(dòng)和偏心將不可避免地引起角誤差。主要機(jī)械誤差有徑向跳動(dòng)誤差、旋轉(zhuǎn)變壓器軸偏心率誤差和安裝直徑誤差等。

2.4.2 其他誤差

其他誤差主要包括零位誤差、跟蹤誤差和器件誤差等。

1)零位誤差。旋轉(zhuǎn)變壓器的零位誤差是指當(dāng)原邊激磁繞組加基準(zhǔn)電壓激勵(lì)后，副邊輸出繞組輸出隨轉(zhuǎn)角θ呈正(余)弦函數(shù)變化的電壓，每一個(gè)電氣角度出現(xiàn)1個(gè)零點(diǎn)，該零點(diǎn)可能與理想零點(diǎn)偏離1個(gè)角度Δθ，這實(shí)際偏離的角度Δθ就是零位誤差。本系統(tǒng)零位誤差消除的方法是用軟件置零，在角度范圍內(nèi)位置均可實(shí)現(xiàn)。

2)跟蹤誤差。任何伺服系統(tǒng)在跟蹤過程中都存在誤差。在求取該誤差時(shí)，首先確定系統(tǒng)的速度常數(shù)Kv，然后求出最大跟蹤速度時(shí)的跟蹤誤差，并和整個(gè)機(jī)構(gòu)誤差作代數(shù)相加。

3)器件誤差。輸入、輸出器件會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)靜態(tài)不精確，如軸承的安裝和旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子的調(diào)整使系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，一般情況下，器件誤差為常溫狀態(tài)下的誤差值，誤差隨溫度變化，可參考誤差隨溫度變化的曲線。轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換誤差和器件的精度有關(guān)。

2.4.3 消除誤差的方法

本系統(tǒng)采用粗精組合方法來消除各種誤差，在實(shí)際使用中，用軟件來合理組合粗、精軸的讀數(shù)值，采用余數(shù)比較法對數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)，此方法可以有效減小誤差的影響。使系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

本文采用了旋轉(zhuǎn)變壓器作為測角元件，選定旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器作為數(shù)字轉(zhuǎn)換器件，采用單片機(jī)處理方式，用余數(shù)比較法對粗、精軸讀數(shù)進(jìn)行組合糾錯(cuò)，組成粗精組合角度測量系統(tǒng)，主要研究結(jié)論歸納如下。

1)采用粗精組合方式對粗軸讀數(shù)和精軸讀數(shù)進(jìn)行粗精組合，提高了傳感器的測角精度，采用本文測角系統(tǒng)，精度可以達(dá)到0.82′，有效地提高了傳感器的輸出精度。

2)該系統(tǒng)在使用過程中，不需要調(diào)整旋轉(zhuǎn)變壓器的零位，用軟件可以設(shè)置零位，減少了零位調(diào)試的過程，使用方便。

3)用軟件實(shí)現(xiàn)多極旋轉(zhuǎn)變壓器粗精機(jī)組合的傳動(dòng)比是1∶64。當(dāng)傳動(dòng)比為其他值時(shí)，如1∶36或1∶128，只需更換相應(yīng)部分的具體值即可，因此該方法具有普遍意義。用軟件實(shí)現(xiàn)粗、精機(jī)軸角組合的方法較之硬件實(shí)現(xiàn)的組合方法更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

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