一種基於感應同步器或旋轉變壓器的位置及速度測量裝置的製作方法

2023-07-22 20:49:46 1

專利名稱：一種基於感應同步器或旋轉變壓器的位置及速度測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及速度、位置的測量技術，更具體地說，本發明涉及一種基於感應同步器 或旋轉變壓器的位置及速度測量裝置。
背景技術：
感應同步器和旋轉變壓器都是利用電磁原理將線位移或角位移轉換成電信號的 傳感器，搭配驅動電路可以通過電信號的幅度或相位提取出位置信息，兩種傳感器具有相 同的工作原理。由於感應同步器和旋轉變壓器的工作原理是基於靜止情況下所設計，因此 無論是依據鑑幅型還是鑑相型方法所製造的測量裝置，在移動或轉動過程中都會出現動態 誤差，甚至會 造成計算錯誤。
其中鑑相型方法如《哈爾濱理工大學學報》2003年2月第8卷第1期第12_14頁 《鑑相型感應同步器動態測角系統研究》一文所討論的方法，依據其原理所製造的測量裝置 如圖1所示，包括激磁電路、感應同步器或旋轉變壓器、信號處理電路、中央處理單元，激磁 信號由激磁電路產生並進行功率放大，功率信號通過感應同步器或旋轉變壓器後，由信號 處理電路進行濾波、放大、移相，得到的信號如(1)式所示 其中k為常數，θ t為信號相位，代表了一個細分周期內轉過的機械角，(Ot為感應 同步器或旋轉變壓器運動的速度，Qci為激磁信號角頻率。(1)式中信號e經過整形後由中 央處理單元識別出其相位信息並獲得位置信息，並由位置信息差分獲得速度信息，中央處 理單元內程序運算的流程圖如圖2所示。根據這種方法所製造的測量裝置，其優點是不用 產生跟蹤信號或進行乘法運算，因此比鑑幅型方法實現方便、成本低。不足之處是由於運 動的機械角本身也是個時變量，在轉動時會造成信號頻率的變化，如(2)式所示， 由(2)式識別出的相位信息Θ/和實際經過的機械角並不相等，帶來動態誤差， 同時會使得在感應同步器轉過細分周期零點時測量結果出現跳變，如圖3所示，並使速度 計算在該採樣周期出現錯誤，如圖4所示。

發明內容
基於上述問題，本發明的目的是設計出一種結構簡單、成本低廉、準確度高的基於 感應同步器或旋轉變壓器的位置及速度測量裝置。
本發明是鑑相型測量裝置的改進，包括激磁電路、感應同步器或旋轉變壓器、信號 處理電路、中央處理單元，激磁信號由激磁電路產生並進行功率放大，功率信號通過感應同 步器或旋轉變壓器後，由信號處理電路進行濾波、放大、移相、整形後送入中央處理單元，中 央處理單元內程序的處理步驟為1)識別信號的相位信息；2)判斷是否需要進行相位修正，如需要修正，則用以下公式進行修正 或《 或其中Θ/為修正後的相位信息，θ 修正前的相位信息，為激磁信號角頻 率，Ot為當前速度，a為當前加速度；3)通過相位信息獲得位置信息，並建立堆棧，堆棧的深度為2或2以上；4)判斷是否需要進行位置修正，如無需修正，則使當前位置信息進棧，如需要修 正，則按以下步驟進行修正，其流程圖如圖5所示a)判斷移動或轉動的方向，如運動方向和相位增長方向相同則為正向，反之則為 反向；b)當反向運動時，判斷本採樣周期是否經過零點，如不經過零點，則將本採樣周期 提取的位置信息進棧，如經過零點，則將兩個位置信息依次進棧，第一個為該零點所對應的 位置值，第二個為當前採樣周期所提取的位置值；c)當正向運動時，判斷本採樣周期是否提取出相位信息，如能提取出，則將本採樣 周期提取的位置信息進棧，如提取不出相位信息，本採樣周期不做任何操作；5)由堆棧內的位置信息差分獲得速度信息；6)判斷是否需要進行速度修正，如需要修正，則用以下公式進行修正 或 或 或
ω/ = ω((1 ++ αθ 2 Δ T時刻，系統返回第二次採樣結果的時候，感應同步器實際已經轉過了 約-2 tAT的角度，而系統卻會誤判只走了-ω,Τ的角度，誤差-ω,Τ。系統的模型如 0 7(a)所示。當正向運轉時，假設在Ttl時刻，在某一周期的最後時刻採樣到信號的上升沿，並 在TfAt時刻返回該次採樣的結果D-1，同時開始新一輪採樣。此時感應同步器已經過
t+α At2/2的位移，其中At= ΔΤ/D為採樣間隔。那麼，根據相遇模型，下一次採樣 到系統上升沿所需要的時間滿足
解該方程並略去高次項得

> △T(4)從(4)式可以看出，角加速度α仍然在計算結果的三次項中，可暫時忽略不計，僅 考慮勻速的情況。此時感應同步器信號已經進入下一個周期，在本周期不會與採樣信號相 遇。換一種說法就是感應同步器輸出信號的頻率大於fo，而此時計數器已經重新清零。這 樣採樣器可能會返回上一次的採樣結果D-1，也可能會返回一個結果0，這取決於系統本身 的設定。假設系統是返回上一次採樣結果，那麼就會誤判感應同步器此時是靜止的，而實際 上感應同步器轉過了約ω,Τ的角度，誤差ω,Τ。這時的系統模型如圖7(b)所示。根據前面的分析，對於勻速轉動的系統，動態誤差在即將通過零點時會累積到最 大值達到(Ρ/360) · (Ot7^ci),其中ρ為感應同步器極對數。那麼在其餘角度，誤差應具有 如下形式 (5)式即為動態誤差的一次修正因子，這樣(2)式則變為 由(3)、(4)和(5)式可以推出修正算法的誤差，首先考慮勻速轉動的情況 (7)式是由(3)式和(5)式得到，因為在討論感應同步器反向通過零點時實際考慮 了兩個採樣周期，因此要除以2 ΔΤ。同時，由(4)式和(5)式可以得到 如果採樣頻率足夠高，可以看做D—c ，那麼⑶式則變成
考慮方向後，(7)式和(9)式具有相同的形式。加入這兩式的誤差，(5)式應該修 正為 在變速運動的情況下，需要加入(3)式和(4)式中的三次項。由於(3)式分析了 兩個採樣周期的情況，在平方後和(4)式的三次項有個4倍的關係。因此，結合(7)、(9)和 (10)式的形式，可推出變速運動時的修正因子為 (5)式、(10)式和(11)式分別為相位動態誤差的一次、二次和三次修正因子。分別 對(5)式、(10)式和(11)式求導可以得到速度動態誤差的一次、二次和三次修正因子為 (14)對於位置和速度精度都有要求的系統，僅需要對相位進行動態誤差修正即可，用修正後的相位計算出的位置和速度，其動態誤差已被修正。而對位置精度要求不高但對速度精度要求高的系統，可以僅對速度進行動態誤差修正而不需要對位置進行修正。傳統的 速度算法僅記錄一個過去提取出的位置信息，並與當前提取出的位置信息差分獲得速度， 這種方法對圖2所示的位置突變沒有免疫力，導致速度計算錯誤。為獲得連續的位置信息， 需要進行插值處理，同時也需要至少記錄兩個或兩個以上過去提取出的位置信息。插值處 理相當於對速度的零次修正，尤其適用於以FPGA這種不擅長浮點運算的晶片作為中央處 理晶片的系統，角度信息經過插值處理後計算出的速度信息其動態誤差已大大減小。本發 明使用堆棧的方法記錄角度信息，因此堆棧的深度為2或2以上，計算速度所用到的位置信 息從堆棧內提取，每個採樣周期即提取相位或位置的周期進行一次進棧處理。插值算法的 步驟及構思為a)判斷移動或轉動的方向，如運動方向和相位增長方向相同則為正向，反之則為 反向。b)當反向運動時，因信號頻率變大、周期變短，需要在一個細分周期內插入一個位 置信息，該位置信息為該細分周期零點所對應的位置。因此需要判斷本採樣周期是否經過 零點，如不經過零點，則將本採樣周期提取的位置信息進棧；如經過零點，則將兩個位置信 息依次進棧，第一個為該零點所對應的位置值，第二個為當前採樣周期所提取的位置值。c)當正向運動時，因信號頻率變小、周期變長，一個細分周期內的最後一個採樣周 期會提取不出相位信息，寄存器內存儲的位置信息為上一個採樣周期所提取的位置信息， 需要扔掉該錯誤的位置信息。因此需要判斷本採樣周期是否提取出相位信息，如能提取出， 則將本採樣周期提取的位置信息進棧；如提取不出相位信息，表示即將經過零點，本採樣周 期不做任何操作，即相當於扔掉一個錯誤的位置信息。插值和進棧算法的流程圖如圖4所示。


圖1基於感應同步器或旋轉變壓器的測量裝置基本結構框圖。圖2傳統鑑相型測量裝置中央處理單元程序流程圖。圖3傳統鑑相型測量裝置過零點時位置信息跳變示意圖。圖4傳統鑑相型測量裝置過零點時速度計算錯誤示意圖。圖5本發明插值堆棧算法流程圖。圖6本發明中央處理單元程序流程圖。圖7本發明動態誤差修正算法模型。
具體實施例方式本發明包括激磁電路、感應同步器或旋轉變壓器、信號處理電路、中央處理單元， 激磁信號由激磁電路產生並進行功率放大，功率信號通過感應同步器或旋轉變壓器後，由 信號處理電路進行濾波、放大、移相、整形後送入中央處理單元，中央處理單元內程序的處 理步驟為1)識別信號的相位信息；2)判斷是否需要進行相位修正，如系統在動態測量時對位置也有要求，則需要先對相位進行修正，修正公式由(5)、(10)、(11)式推導得
(15)或 或
(17)其中Θ/為修正後的相位信息，θ 修正前的相位信息，為激磁信號角頻 率，Ot為當前速度，a為當前加速度，以上公式根據系統設計指標選擇一個，(15)式的誤差 最大，(17)式的誤差最小；3)通過相位信息獲得位置信息，並建立堆棧，堆棧的深度為2或2以上；4)判斷是否需要進行位置修正，如之前已對相位進行修正過，則無需再進行位置 修正；如無需修正，則使當前位置信息進棧，如需要修正，則按以下步驟進行修正，其流程圖 如圖4所示a)判斷移動或轉動的方向，如運動方向和相位增長方向相同則為正向，反之則為 反向；b)當反向運動時，判斷本採樣周期是否經過零點，如不經過零點，則將本採樣周期 提取的位置信息進棧，如經過零點，則將兩個位置信息依次進棧，第一個為該零點所對應的 位置值，第二個為當前採樣周期所提取的位置值，c)當正向運動時，判斷本採樣周期是否提取出相位信息，如能提取出，則將本採樣 周期提取的位置信息進棧，如提取不出相位信息，本採樣周期不做任何操作；5)由堆棧內的位置信息差分獲得速度信息；6)判斷是否需要進行速度修正，如之前已對相位進行修正，則無需對速度進行修 正；如之前已對位置進行過修正，則對速度可進行修正，也可不修正，取決於系統設計指標， 如對速度動態精度要求高，則需要進行速度修正；如需要修正，則用以下公式進行修正 或 或
或 其中ω/為修正後的速度，為修正前的速度，以上公式根據系統設計指標選 擇一個，(18)式的誤差最大，(21)式的誤差最小；7)由當前速度信息和上一採樣周期所獲得的速度信息差分獲得加速度信息，並將 加速度信息用於對相位和速度的修正中。中央處理單元對信號的處理流程如圖5所示。
權利要求
一種基於感應同步器或旋轉變壓器的位置及速度測量裝置，採用鑑相型處理方法，包括激磁電路、感應同步器或旋轉變壓器、信號處理電路、中央處理單元，激磁信號由激磁電路產生並進行功率放大，功率信號通過感應同步器或旋轉變壓器後，由信號處理電路進行濾波、放大、移相、整形後送入中央處理單元，其特徵在於所述的中央處理單元內程序運行的步驟為1)識別信號的相位信息；2)判斷是否需要進行相位修正，如需要修正，則用以下公式進行修正 t = t ( 1 + t 0 ) 或 t = t ( 1 + t 0 - t ) 或 t = t[1+ t 0- t + t a t ( 0 - t )3 ] 其中θt′為修正後的相位信息，θt為修正前的相位信息，ω0為激磁信號角頻率，ωt為當前速度，a為當前加速度；3)通過相位信息獲得位置信息，並建立堆棧，堆棧的深度為2或2以上；4)判斷是否需要進行位置修正，如無需修正，則使當前位置信息進棧，如需要修正，則按以下步驟進行修正a)判斷移動或轉動的方向，如運動方向和相位增長方向相同則為正向，反之則為反向；b)當反向運動時，判斷本採樣周期是否經過零點，如不經過零點，則將本採樣周期提取的位置信息進棧，如經過零點，則將兩個位置信息依次進棧，第一個為該零點所對應的位置值，第二個為當前採樣周期所提取的位置值；c)當正向運動時，判斷本採樣周期是否提取出相位信息，如能提取出，則將本採樣周期提取的位置信息進棧，如提取不出相位信息，本採樣周期不做任何操作；5)由堆棧內的位置信息差分獲得速度信息；6)判斷是否需要進行速度修正，如需要修正，則用以下公式進行修正 t = t ( 1 + t 0 ) 或 t = t ( 1 + t 0 - t ) 或 t = t ( 1 + t 0 - t )+a t 0 ( 0 - t )2 或 t = t ( 1 + t 0 - t )+a t 0 2- 0 t+2 t 2 ( 0 - t )3 其中ω′t為修正後的速度，ωt為修正前的速度；7)由當前速度信息和上一採樣周期所獲得的速度信息差分獲得加速度信息，並將加速度信息用於對相位和速度的修正中。
全文摘要
本發明公開了一種基於感應同步器或旋轉變壓器的位置及速度測量裝置。採用鑑相型處理方法，包括激磁電路、感應同步器或旋轉變壓器、信號處理電路、中央處理單元，激磁信號由激磁電路產生並進行功率放大，功率信號通過感應同步器或旋轉變壓器後，由信號處理電路進行濾波、放大、移相、整形後送入中央處理單元，中央處理單元由信號的相位信息獲得位置信息，由位置信息差分獲得速度信息，由速度信息差分獲得加速度信息，由速度及加速度信息對相位或速度進行動態誤差修正。本發明實現簡單、成本低廉、準確度高、既適用於高速也適用於低速運轉的情況，可以應用於航空航天、軍事和工業等領域實現動態位置和速度測量。
文檔編號G01P13/04GK101881784SQ20101019887
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月11日 優先權日2010年6月11日
發明者劉銀年, 莊曉瓊, 張 育, 王建宇, 王晟偉, 王躍明 申請人:中國科學院上海技術物理研究所