基于PMAC的傾角傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置

李娜娜，彭 軍

(北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095)

0 引言

傾角傳感器是測(cè)量關(guān)于水平面的傾斜角的裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、使用通用傳感器集成電路等優(yōu)點(diǎn)。目前動(dòng)態(tài)傾角傳感器應(yīng)用越來(lái)越廣泛，例如機(jī)器人行走時(shí)傾角和腿部關(guān)節(jié)姿態(tài)的獲?。恍l(wèi)星通訊車在運(yùn)行過(guò)程中俯仰方向或橫滾方向存在高頻抖動(dòng)時(shí)；船舶航行時(shí)姿態(tài)角的測(cè)量，雷達(dá)車輛平臺(tái)檢測(cè)等都用到了動(dòng)態(tài)傾角傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量功能。但是傾角傳感器在實(shí)際使用中往往存在較大的非線性誤差和溫度漂移誤差等缺陷，以致精度易受影響從而導(dǎo)致測(cè)量誤差過(guò)大[1-2]，因此研究?jī)A角傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性非常重要。目前國(guó)內(nèi)對(duì)傾角傳感器的校準(zhǔn)主要集中在靜態(tài)方面[3-4]，動(dòng)態(tài)方面的校準(zhǔn)研究比較少。

為解決傾角傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的問(wèn)題，本文介紹了一種基于PMAC卡的傾角傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置，并對(duì)其控制系統(tǒng)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后通過(guò)校準(zhǔn)裝置的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和傳感器的校準(zhǔn)試驗(yàn)，驗(yàn)證該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傾角傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。

1 傾角傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置工作原理

裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，裝置臺(tái)體部分主要由主軸、臺(tái)面、空氣軸承、光柵和電機(jī)組成，空氣靜壓軸系由于氣膜產(chǎn)生的均化效應(yīng)，不僅可得到較高的回轉(zhuǎn)精度，而且摩擦小，運(yùn)行平穩(wěn)。無(wú)刷永磁電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，其轉(zhuǎn)子直接安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，定子安裝在殼體上。采用高準(zhǔn)確度的光柵元件作為測(cè)量元件，光柵盤(pán)安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，隨軸可360°旋轉(zhuǎn)，讀數(shù)頭則安裝在相對(duì)靜止的殼體上，臺(tái)面開(kāi)有螺紋孔，用來(lái)安裝被校傳感器。

圖1 校準(zhǔn)裝置示意圖

校準(zhǔn)裝置工作原理如圖2所示。校準(zhǔn)時(shí)將傾角傳感器的固定在臺(tái)面上，通過(guò)上位機(jī)控制，給定裝置不同頻率下的正弦激勵(lì)信號(hào)，使傳感器跟隨轉(zhuǎn)臺(tái)做正弦角振動(dòng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集傾角傳感器輸出信號(hào)與光柵測(cè)角信號(hào)，通過(guò)對(duì)比2路信號(hào)得出傾角傳感器的動(dòng)態(tài)特性。

圖2 傾角傳感器校準(zhǔn)裝置工作原理

假設(shè)校準(zhǔn)裝置輸出正弦信號(hào)為A，傳感器輸出信號(hào)為R，通過(guò)比較裝置角位移信號(hào)與傳感器輸出角度信號(hào)，得到被校傾角傳感器的輸出靈敏度、相位延遲及帶寬。

角振動(dòng)頻率為f時(shí)校準(zhǔn)裝置輸出角位移：

A(t)=Amsin(2πf+φ0)

(1)

式中：Am為角振動(dòng)頻率為f時(shí)，校準(zhǔn)裝置輸出角位移峰值；φ0為角振動(dòng)頻率為f時(shí)，校準(zhǔn)裝置初始相位。

角振動(dòng)頻率為f時(shí)，傳感器輸出角位移：

R(t)=Rmsin(2πf+φ0)

(2)

式中：Rm為角振動(dòng)頻率為f時(shí)，傳感器輸出角位移峰值；φ0為角振動(dòng)頻率為f時(shí)，傳感器輸出信號(hào)初始相位。

角振動(dòng)頻率為f時(shí)，傳感器的靈敏度S(幅值增益)為

(3)

角振動(dòng)頻率為f時(shí)，傳感器的相位延遲為

Δφ=φ0-φ0

(4)

當(dāng)幅值增益G=0.707時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率為fc，則傾角傳感器的頻帶寬度為

Bω=fc

(5)

也可以粗略估計(jì)傾角傳感器的帶寬，計(jì)算方法如下：

(6)

式中：DB為幅值衰減；K為傳感器靜態(tài)時(shí)的靈敏度。

2 校準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)

對(duì)傾角傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置的控制系統(tǒng)要求如下：實(shí)時(shí)采集圓光柵反饋的臺(tái)體角度信息；控制臺(tái)體做正弦角振動(dòng)，并能設(shè)置控制參數(shù)。傾角傳感器有角度范圍限制，在某頻率下的正弦角振動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)最大偏角應(yīng)是可控的；傾角傳感器敏感重力加速度，測(cè)量輸出傾斜角度，正弦角振動(dòng)的基準(zhǔn)應(yīng)保持與水平面垂直，如果基準(zhǔn)偏移，無(wú)法正確測(cè)量?jī)A角傳感器的動(dòng)態(tài)特性，控制系統(tǒng)的輸出模式應(yīng)為位置環(huán)正弦角振動(dòng)。

根據(jù)上述要求，再結(jié)合校準(zhǔn)裝置臺(tái)體結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)中主控制器選用多軸運(yùn)動(dòng)控制器PMAC(programmable multi-axis controller)，是基于工控PC機(jī)和Windows操作系統(tǒng)的多軸、多通道開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器。PMAC可與各種伺服系統(tǒng)相匹配，構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)的核心驅(qū)動(dòng)部分；可與各種檢測(cè)元件匹配，包括測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器等。并能提供開(kāi)放式的人機(jī)界面，使控制系統(tǒng)與用戶設(shè)計(jì)的多種目的相匹配[5]。

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由臺(tái)體(包含伺服電機(jī)，圓光柵測(cè)角系統(tǒng)等)、伺服驅(qū)動(dòng)器、PMAC運(yùn)動(dòng)控制器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及上位機(jī)組成。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)以上對(duì)控制系統(tǒng)的需求分析，校準(zhǔn)裝置的主要工作模式為輸出位置環(huán)正弦角振動(dòng)，伺服方式為位置伺服。如圖3所示，PMAC僅作為位置環(huán)控制器，由伺服驅(qū)動(dòng)器閉合速度環(huán)。圓光柵可直接反饋高精度的角位置，但要為速度環(huán)提供速度反饋量，需要在誤差反饋中加入微分部分，得到角速度量，作為速度環(huán)反饋。這樣很容易引入高頻噪聲，對(duì)系統(tǒng)造成影響。因此由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器及圓光柵(用來(lái)測(cè)量系統(tǒng)的角度變化)構(gòu)成速度環(huán)，用于實(shí)時(shí)補(bǔ)償被控對(duì)象內(nèi)外部的各種擾動(dòng)。速度環(huán)在校準(zhǔn)裝置的伺服系統(tǒng)中是十分重要的，它需要有良好的伺服性能和伺服剛度。

以PMAC作為位置環(huán)的控制器，PMAC通過(guò)ISA插槽與PC通信，通過(guò)附件板ACC-8E與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，ACC-8E輸出2路差分模擬信號(hào)，控制伺服驅(qū)動(dòng)器，并接收?qǐng)A光柵輸出的位置信號(hào)。PMAC卡有精確的位置控制能力，并且可提供一套完整的功能指令集合，能進(jìn)行直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、樣條曲線插補(bǔ)，能以增量或絕對(duì)方式運(yùn)行等，用戶可根據(jù)自己的控制需求，編寫(xiě)應(yīng)用程序[6]。通過(guò)在校準(zhǔn)裝置的上位機(jī)上編寫(xiě)正弦角振動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡程序，下載至PMAC卡上，再根據(jù)要跟蹤的設(shè)定軌跡及圓光柵的反饋角度值產(chǎn)生速度環(huán)控制量作為速度輸入。

PMAC卡為用戶提供了PID+速度/加速度前饋+NOTCH濾波的控制環(huán)算法，是以下算法的綜合：帶死區(qū)的PID控制算法、積分分離PID控制算法、遇限削弱積分PID控制算法、速度前饋-反饋和加速度前饋-反饋控制算法。PMAC卡可以在多個(gè)坐標(biāo)軸系實(shí)現(xiàn)改進(jìn)型PID算法的綜合應(yīng)用，具有響應(yīng)速度快和精度高的特點(diǎn)[7-8]。圖4為算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖4 PMAC控制算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4中，KP為比例增益，Kd為微分增益，KI為積分增益。通過(guò)這3個(gè)參數(shù)，可縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、減少超調(diào)并增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；Kvff為速度前饋增益，可減小由于系統(tǒng)阻尼所引起的跟隨誤差；Kaff為加速度前饋增益，可減小由于系統(tǒng)慣性所帶來(lái)的跟隨誤差。

參數(shù)調(diào)試時(shí)首先采用測(cè)試階躍輸入的響應(yīng)，測(cè)試系統(tǒng)跟隨性能。逐漸增大比例系數(shù)KP，直到系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并且脈沖結(jié)束后臺(tái)面有振蕩現(xiàn)象；然后減小KP，增大Kd，減少系統(tǒng)超調(diào)和穩(wěn)定時(shí)間；再增大KI，加快系統(tǒng)響應(yīng)；調(diào)整好比例、積分、微分參數(shù)后，采用測(cè)試拋物線輸入的響應(yīng)，調(diào)整速度、加速度前饋參數(shù)，使得誤差與速度、加速度無(wú)關(guān)[9-10]。

圖5和圖6為調(diào)試好的系統(tǒng)階躍響應(yīng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖5 校準(zhǔn)裝置階躍響應(yīng)圖

圖6 校準(zhǔn)裝置動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 校準(zhǔn)裝置靜態(tài)角位置

采用光電自準(zhǔn)直儀和棱體測(cè)試校準(zhǔn)裝置的角位置精度，角位置精度高才能保證正弦角振動(dòng)時(shí)基準(zhǔn)的位置精度及對(duì)最大偏角的控制。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 校準(zhǔn)裝置靜態(tài)角位置

表1中，定位誤差為1.9″，定位重復(fù)性為0.2″。校準(zhǔn)裝置的靜態(tài)角位置可以滿足傾角傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)的需求，校準(zhǔn)裝置也可對(duì)傾角傳感器進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)。雖然靜態(tài)角位置精度不能代表動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)時(shí)角位置精度，但從一定程度上可以保證動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)時(shí)正弦角振動(dòng)基準(zhǔn)線的位置和最大偏角不會(huì)偏差太大。

3.2 校準(zhǔn)裝置動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

校準(zhǔn)裝置處于空載狀態(tài)，采集裝置在不同頻率不同幅值下輸出的光柵信號(hào)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 校準(zhǔn)裝置空載動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以得出，在15 Hz以下，基于PMAC卡的控制系統(tǒng)將失真度控制在0.5%以內(nèi)，幅值衰減大于-0.2 dB，滿足一般傾角傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的要求。

3.3 傾角傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)

將某型號(hào)傾角傳感器[帶寬為3 Hz，角度范圍為±90°，靜態(tài)靈敏度為0.02 V/(°)]固定安裝在校準(zhǔn)裝置上，使其敏感軸與臺(tái)面平行，與校準(zhǔn)裝置旋轉(zhuǎn)軸系垂直，在不同頻率下測(cè)試傾角傳感器的動(dòng)態(tài)性能。校準(zhǔn)結(jié)果如表3所示。

表3 傾角傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果

如表3所示，在5 Hz時(shí)，傳感器的相位差大于90°，此時(shí)靈敏度比靜態(tài)靈敏度也有所衰減，而3 Hz時(shí)相位差小于90°，靈敏度衰減很小，與傳感器標(biāo)稱特性基本相同。試驗(yàn)驗(yàn)證了校準(zhǔn)裝置的控制方案可以滿足對(duì)傾角傳感器校準(zhǔn)的需求。

4 結(jié)論

文中主要介紹了一種基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制器的傾角傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置及其控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，并測(cè)試了校準(zhǔn)裝置的靜態(tài)角位置、空載時(shí)動(dòng)態(tài)特性，對(duì)某型號(hào)傾角傳感器開(kāi)展了動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明校準(zhǔn)裝置在0.05～15 Hz時(shí)，失真度小于0.5%，所校準(zhǔn)傾角傳感器結(jié)果與其標(biāo)稱指標(biāo)基本相同。說(shuō)明以PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡為核心構(gòu)建的傾角傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傾角傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)功能。但15 Hz以上還需要進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)。