一种感应同步器角度自动化检测装置与方法与流程

本发明涉及一种感应同步器角度自动化检测装置与方法，属于检测技术领域。

背景技术

论文“感应同步器测角系统误差调整与补偿”(哈尔滨工业大学学报，曾庆双，199802)分析了引起感应同步器测角系统一次谐波和二次谐波误差的运行，提出了对一次谐波进行补偿及对二次谐波进行调整的方法，并设计了一次谐波误差的补偿电路。通过实测数据对两项误差进行调整与补偿，提高了感应同步器的测角精度。其缺点在于：其主要采用硬件补偿的方法，且仅针对短周期一次谐波误差和二次谐波误差，局限性较大；同时虽然硬件补偿方法补偿原理明确，但在实际操作中，由于硬件环境的限制和人工操作的影响，取得的补偿效果也往往是有限的。

论文“圆感应同步器测角误差的分离技术”(中国电机工程学报，任顺清，200104)研究了感应同步器测角系统的测角误差的主要组成部分及分离技术，通过对感应同步器测角误差的实测，提出了分离长周期一次谐波、短周期一次谐波和二次谐波的方法，并采用相应的软件和硬件补偿技术，提高了感应同步器的测角精度。其缺点在于：其依据感应同步器测量误差产生的机理提出的误差分离技术能够有效地提高感应同步器的测角精度，但是算法比较复杂，且需要在实践中进行反复多次测量，依次分析出各次谐波误差后才能进行相应的软件、硬件补偿，同时测角误差利用二十三面棱镜获得，采样点数受到了限制。

论文“神经网络在感应同步器零位误差补偿中的应用”(中国电机工程学报，齐明，200803)以实测误差数据为样本，运用神经网络建立测角系统的角度测量误差模型，提出了一种对奇、偶点跳跃的零位误差进行分段辨识的方法，并设计了一种组合神经网络误差模型用于零位误差的补偿。其缺点在于：其所设计的组合神经网络误差模型需通过相应的网络训练进行参数的优化。通过连续不断地网络训练令误差模型预测值逐渐逼近测角系统的实测误差值，直至网络输出层的误差平方和达到预期的最小值，结束训练过程。此过程实现困难，且花费时间较长、效率较低。

论文“感应同步器测角系统的电路设计与软件补偿”(科学技术与工程，潘文贵，201208)采用了粗精双通道的轴角传感器共同测量的方法进行数据的融合，即由粗通道的测量数据定位精通道的周期位置，由精通道的数据来定位当前的角度位置，并通过分段线性补偿的方法进行误差修正，取得了较好的测试结果。其缺点在于：其利用分段线性插值法进行误差补偿时，为了能够较准确的构建误差曲线，正确补偿感应同步器的短周期误差，需采集大量的实验数据，数据存储量大，占用较多的内存空间，增加了所用的测试计算机的运行负担。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术中感应同步器检测和补偿方法中存在的补偿效果不理想、采样点数受限、模型建立困难、数据存储量大、人为参与较多以及工作效率不高等问题，进而提供一种感应同步器角度自动化检测装置与方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种感应同步器角度自动化检测装置，包括：测试计算机、数据采集卡、电机驱动系统、单轴测试转台、标准信号处理板、感应同步器、标准激磁电路、棱镜及自准直仪和绝对式圆光栅；

其中，棱镜及自准直仪用于实现对单轴测试转台上绝对式圆光栅测角值的标定，在完成了转台测角值标定之后，即可利用其对感应同步器进行角度的自动化检测，感应同步器、绝对式圆光栅以及自准直仪输出的信号通过不同的串口传至数据采集卡，并经由数据采集卡处理成数字信号后提供给测试计算机分析使用；

电机驱动系统驱动单轴测试转台转动；激磁信号由标准激磁电路产生，感应同步器接收激磁信号并产生相应的输出信号，输出信号通过标准信号处理板进行处理，然后由数据采集卡处理成数字信号后提供给测试计算机分析使用。

一种感应同步器角度自动化检测方法：包括如下步骤：

步骤一、转台测角值标定：因采用的光栅为带有双读数头的绝对式圆光栅，需对绝对式圆光栅双读数头角度数据进行合成，通过比较融合的方法，将两个角度数据转换成一个角度数据，用于后续分析；

步骤二、感应同步器测角值标定：因直接读取得到的感应同步器测角值为短周期下的测角值，即测角值范围为0°-l，其中l为感应同步器的节距大小，在进行标定之前，将感应同步器测角值从短周期转换到长周期；

步骤三、误差分析与误差模型建立：包括对转台测角误差模型建立以及对感应同步器测角值误差模型建立；

步骤四、测角误差补偿：关于测角误差的补偿方法，采用三角函数拟合法的方法实现，其利用最小二乘辨识法所建立的测角元件的测角误差模型对测角元件的测角值进行补偿。

所述步骤一中的具体转台测角值标定方法如下：

步骤一、首先启动转台控制系统，驱动转台转动到0°，并调整二十三面棱体的第一个工作面对准自准直仪，记录自准直仪的读数g1

步骤二、驱动单轴测试转台运行，将轴系转至角位置i＝1,2,…,23处，自准直仪在第i个位置的读数为gi，则在上述23个位置检定的角位置误差ei为：

ei＝-[±(gi-g1)±(δαi,1)]

其中：ei为角位置θi处的检定误差；δαi,1为棱体工作面偏差，它是棱体的第i个工作面与第1个工作面的法线间的实际角度与标称角度的差；正负号的选择应根据实际安装情况来确定，依据如上所述的方法求得转台的测角值误差，实现转台测角值的标定。

所述步骤二中的具体感应同步器测角值标定方法如下：

步骤一、如果对一个感应同步器进行的初次测试，首先需进行感应同步器的寻零工作；通过寻零，采集到感应同步器的零点p个，并选取p个零点中的第一个作为感应同步器的基准零点，其对应的转台圆光栅测角值为其中p为感应同步器的极对数；

步骤二、根据事先设定好的采样点数n和起始角度a，驱动转台按照设定规律进行转动，并返回转台和感应同步器在采样点处的测角值αn和βn；

步骤三、在数据采集完毕之后，首先根据寻零结果和测试信息，判断出第n组测角数据位于第m,m∈[1,p]个节距下，之后，利用步距增量比较的方法进行感应同步器测角值误差的求取；通过此方法可同时求得感应同步器在第n个采样点处的在长周期下的测角值θn和测角误差εn；依据如上所述的方法可获得感应同步器的零点位置、在长周期下的测角值以及测角值误差，实现了感应同步器的测角值标定并为后续分析提供了数据基础。

所述步骤三中，对转台测角误差进行模型建立时，仅考虑基波和长周期一次、二次、三次和四次谐波对转台角位置误差的影响，忽略高次谐波误差，因此，所建立的转台测角误差模型如下式所示：

e＝e0+a1ccosθ+a1ssinθ+a2ccos2θ+a2ssin2θ

a3ccos3θ+a3ssin3θ+a4ccos4θ+a4ssin4θ+ε

式中：e0为常数，为基波分量；a1c、a1s、a2c、a2s、a3c、a3s、a4c、a4s分别为长周期一次谐波余弦相和正弦相误差系数、二次谐波余弦相和正弦相误差系数、三次谐波余弦相和正弦相误差系数以及四次谐波余弦相和正弦相误差系数；

误差模型中的各次谐波系数根据最小二乘辨识法来求取，

对转台圆光栅测角值进行角度标定后，求得23个位置的误差数据ei，将上述公式写成矩阵形式：

e＝ax+ε

其中e为在采样点处的误差矩阵，a为各次谐波值对应的矩阵，x为各次谐波系数矩阵，ε对应高次谐波误差；

最小二乘法的思想就是寻找一个x的估计值使得各次测量的ei(i＝1,…,23)与由估计值确定的测量值之差的平方和最小，即

要使上式达到最小，根据极值定理，则有

通过计算推导得x的最小二乘估计为

根据求得的即可建立出辨识误差模型，得到误差的各次谐波组成，利用此模型对转台测角误差进行补偿，可使其达到预期的精度。

所述步骤三中，对感应同步器测角值误差模型建立时，感应同步器测角系统的误差产生原因：械轴误差包括感应同步器的安装误差、感应同步器/旋转变压器的制造误差和电路误差；

其中机械轴系误差在机械角度360度内，有1、2次正余弦函数分布的特点，称为长周期误差；电路和感应同步器的制造误差具有在一对极，即电角度360度之内呈1、2、4次正余弦函数分布的特点，称为短周期误差；高次谐波误差在误差数学模型建立的过程中，可以忽略不计，或认为包含在残差中，因此实用的感应同步器测角系统的误差数学模型可以表示为：

式中：e0为常数，为基波分量；al1c、al1s、al2c、al2s分别为长周期一次谐波余弦相误差系数、一次谐波正弦相误差系数、二次谐波余弦相误差系数、二次谐波正弦相误差系数；as1c、as1s、as2c、as2s、as4c、as4s分别为短周期一次谐波余弦相误差系数、一次谐波正弦相误差系数、二次谐波余弦相误差系数、二次谐波正弦相误差系数、四次谐波余弦相误差系数、四次谐波正弦相误差系数；θ为感应同步器在长周期下的测角值；为感应同步器在短周期下的测角值；p为感应同步器的极对数；误差模型中的各次谐波系数同样依据最小二乘辨识法来求取；

对感应同步器进行角度标定后，求得n个采样位置处的误差数据ei(n为事先设定好的采样点数，n>11)，将公式写为矩阵形式

e＝ax+ε

式中e为在采样点处的误差矩阵，a为各次谐波值对应的矩阵，x为各次谐波系数矩阵，ε对应高次谐波误差；

x的最小二乘估计为

根据求得的即可建立出感应同步器测角误差模型，得到误差的各次谐波组成，利用此模型对感应同步器进行误差分析和补偿。

所述步骤四中，测角误差的补偿方法的具体步骤为：

步骤一、转台的测角误差模型为：

e＝e0+a1ccosθ+a1ssinθ+a2ccos2θ+a2ssin2θ+ε

感应同步器的测角误差模型为：

在建立完误差模型之后，系统自动将误差模型系数写入文件中保存；

步骤二、当再次进行数据采集时，从文件中读取系数的信息，对测角值进行补偿；

步骤三、在完成采样之后，计算测角元件经补偿后的测角误差，并判断是否满足误差限要求，如不满足则需对相同的过程进行循环操作，直至补偿后的测角误差满足误差限要求；

步骤四、在每次循环开始时，需将每次辨识出的误差模型系数与原有误差模型系数相加求得新的误差模型系数，并对文件中存储的误差模型系数进行更新。

本发明的有益效果：

本发明在分析感应同步器测角原理的基础上，给出了工程中实用的感应同步器测角误差模型；利用高精度圆光栅完成对感应同步器的检测，采样点数选择灵活(大于误差模型待定参数数目即可)；

本发明利用最小二乘辨识法完成误差模型的建立，不需要采集大量的测试数据，只需满足采样点个数大于误差模型中待定参数的个数，即可构建出误差曲线并辨识出感应同步器在长周期和短周期之内的各次谐波误差表现形式；

本发明该方法除去棱体的安装、待测测角元件的安装以及自准直仪的调整需要人工完成外，转台定位、检测、记录数据、计算误差、辨识误差模型参数、补偿，以及补偿后再检测等工作都由测试计算机自动完成，最大限度的降低了人为因素对测量精确度的影响，补偿后残余误差峰峰值较小，实现测试的自动化；

本发明测试计算机能够在线完成测角误差模型系数的求取和补偿，缩短了测试时间，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明一种感应同步器角度自动化检测装置的结构示意图。

图2为本发明的自动化检测流程图。

图3为本发明的转台测角值标定系统简图。

图4为本发明的感应同步器测角值标定系统简图。

图5为本发明的步距增量比较法原理图。

图6为本发明的转台测角标定程序流程图。

图7为本发明的感应同步器测角值标定程序流程图。

图8为本发明的误差模型建立程序流程图。

图9为本发明的误差补偿程序流程图。

图中的附图标记，1为测试计算机，2为数据采集卡，3为电机驱动系统，4为单轴测试转台，5为标准信号处理板，6为感应同步器，7为标准激磁电路，8为棱镜及自准直仪，9为绝对式圆光栅，10为自准直仪，11为棱体夹具，12为正二十三面棱镜，13为光栅盘，14为测头，15为转台主轴，16为数显屏。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1至图9所示，本实施例所涉及的一种感应同步器角度自动化检测装置与方法，包括：

一种感应同步器角度自动化测试装置如图1所示，由测试计算机1、数据采集卡2、电机驱动系统3、单轴测试转台4、标准信号处理板5、感应同步器6、标准激磁电路7、棱镜及自准直仪8和绝对式圆光栅9等组成。

棱镜及自准直仪8用于实现对单轴测试转台4上绝对式圆光栅9测角值的标定，在完成了转台测角值标定之后，即可利用其对感应同步器6进行角度的自动化检测，感应同步器6、绝对式圆光栅9以及自准直仪8输出的信号通过不同的串口传至数据采集卡2，并经由数据采集卡2处理成数字信号后提供给测试计算机1分析使用；电机驱动系统3驱动单轴测试转台4转动；激磁信号由标准激磁电路7产生，感应同步器6接收激磁信号并产生相应的输出信号，输出信号通过标准信号处理板5进行处理，然后由数据采集卡2处理成数字信号后提供给测试计算机1分析使用。

一种感应同步器角度自动化测试流程如图2所,在完成转台测角值的标定之后，输入起始角度和采样点数目，测试计算机将控制转台走到被测角度，并自动完成测量数据的采集和保存。在数据采集完毕之后，根据测量得到的数据，测试计算机能在线进行角位置误差的计算、模型系数的辨识并对其进行补偿，实现角度的自动化检测。

下面对所提出的感应同步器角度自动化测试方法为实现特定的功能所采用的具体方法或算法进行分类阐述：

一、角度标定：

1、转台测角值标定

如图3所示，对转台测角值的标定利用正二十三面棱镜12和自准直仪10作为标准仪器来实现，其中，正二十三面棱体12夹装在棱体夹具11上，测头14设置在光栅盘13的两端，正二十三面棱体12、棱体夹具11和光栅盘13与转台主轴15固定连接，自准直仪10与正二十三面棱体12对准放置，自准直仪10与数显屏16相连接。

因采用的光栅为带有双读数头的绝对式圆光栅，首先完成了绝对式圆光栅双读数头角度数据的合成，通过比较融合的方法，将两个角度数据转换成一个角度数据，用于后续分析。

标定方法如下：首先启动转台控制系统，驱动转台转动到0°，并调整正二十三面棱体的第一个工作面对准自准直仪，记录自准直仪的读数g1；然后驱动转台运行，将轴系转至角位置i＝1,2,…,23处，自准直仪在第i个位置的读数为gi，则在上述23个位置检定的角位置误差ei为：

ei＝-[±(gi-g1)±(δαi,1)]

其中：ei为角位置θi处的检定误差；δαi,1为棱体工作面偏差，它是棱体的第i个工作面与第1个工作面的法线间的实际角度与标称角度的差；正负号的选择应根据实际安装情况来确定。

依据如上所述的方法求得转台的测角值误差，实现转台测角值的标定。

2、感应同步器测角值标定

如图4所示，对感应同步器6的标定利用进行过角度标定的测试转台来完成，其中，待测感应同步器6设置在光栅盘13上，待测感应同步器6和光栅盘13与转台主轴15固定连接。

因直接读取得到的感应同步器测角值为短周期下的测角值(即测角值范围为0°-l，其中l为感应同步器的节距大小)，在进行标定之前，首先完成了感应同步器测角值从短周期到长周期的转换。

具体标定方法如下：

如果是对一个感应同步器进行的初次测试，首先需进行感应同步器的寻零工作。通过寻零，采集到感应同步器的零点p个，并选取p个零点中的第一个作为感应同步器的基准零点，其对应的转台圆光栅测角值为其中p为感应同步器的极对数。

然后，根据事先设定好的采样点数n和起始角度a，驱动转台按照设定规律进行转动，并返回转台和感应同步器6在采样点处的测角值αn和βn。

最后，在数据采集完毕之后，首先根据寻零结果和测试信息，判断出第n组测角数据位于第m,m∈[1,p]个节距下，之后，利用步距增量比较的方法进行感应同步器测角值误差的求取。步距增量比较法原理如图5所示，通过此方法可同时求得感应同步器在第n个采样点处的在长周期下的测角值θn和测角误差εn。

依据如上所述的方法可获得感应同步器的零点位置、在长周期下的测角值以及测角值误差，实现了感应同步器的测角值标定并为后续分析提供了数据基础。

3、流程

转台测角值标定程序流程如图6所示，开始时控制转台转至0°，如果采样点数i小于等于23，则依次执行计算转台应转动到的位置；发送控制指令，调用运动控制程序闭环位置给定模块；等待转台运动完成；记录自准直仪读数；采样点数i加一等步骤；如果采样点数i大于23，则依次执行接收内核层事件通知，输入自准直仪读数；计算并保存测角误差；然后结束。

感应同步器测角值标定程序流程如图7所示，开始判断是否完成寻零工作，如果没有完成寻零工作，则依次执行控制转台转至0°；发送控制指令，调用运动控制程序闭环位置给定模块；控制转台低速运动并记录所需的数据等步骤；此时判断是否转过一周，若没有转过一周则返回“控制转台低速运动并记录所需的数据”这一步骤；若转过一周，则判断数据采集个数是否正确，若正确则选定感应同步器零点；若不正确则返回“控制转台转至0°”这一步骤；

选定感应同步器零点后或开始后即完成寻零工作，则执行输入起始角度a和采样数目n；然后判断采样点数i是否小于等于n；若采样点数i小于等于n，则依次执行计算转台应转动到的位置；发送控制指令，调用运动控制程序闭环位置给定模块；等待转台运动完成；记录转台和感应同步器读数；采样点数i加一等步骤，然后返回判断“采样点数i是否小于等于n”这一步骤；若采样点数i大于n，则依次执行接收内核层事件通知；将感应同步器读数转换为长周期下的测角值；计算并保存测角误差，然后结束。

二、误差分析与误差模型建立

1、转台测角值误差模型建立

在对转台测角误差进行模型建立时，仅考虑基波和长周期一次、二次、三次和四次谐波对转台角位置误差的影响，忽略高次谐波误差，因此，所建立的转台测角误差模型如下式所示：

e＝e0+a1ccosθ+a1ssinθ+a2ccos2θ+a2ssin2θ

a3ccos3θ+a3ssin3θ+a4ccos4θ+a4ssin4θ+ε

式中：e0为常数，为基波分量；a1c、a1s、a2c、a2s、a3c、a3s、a4c、a4s分别为长周期一次谐波余弦相和正弦相误差系数、二次谐波余弦相和正弦相误差系数、三次谐波余弦相和正弦相误差系数以及四次谐波余弦相和正弦相误差系数。

误差模型中的各次谐波系数根据最小二乘辨识法来求取。

对转台圆光栅测角值进行角度标定后，求得23个位置的误差数据ei，将上述公式写成矩阵形式：

e＝ax+ε

其中e为在采样点处的误差矩阵，a为各次谐波值对应的矩阵，x为各次谐波系数矩阵，ε对应高次谐波误差。

最小二乘法的思想就是寻找一个x的估计值使得各次测量的ei(i＝1,…,23)与由估计值确定的测量值之差的平方和最小，即

要使上式达到最小，根据极值定理，则有

通过计算推导得x的最小二乘估计为

根据求得的即可建立出辨识误差模型，得到误差的各次谐波组成，利用此模型对转台测角误差进行补偿，可使其达到预期的精度。

2、感应同步器测角值误差模型建立

在研究感应同步器的误差组成时，将感应同步器测角系统的误差产生原因分为3个方面：

①械轴误差(包括感应同步器的安装误差)；

②感应同步器/旋转变压器的制造误差；

③电路误差。

其中机械轴系误差在机械角度360度内，有1、2次正余弦函数分布的特点，称为长周期误差。电路和感应同步器的制造误差具有在一对极(即电角度360度)之内呈1、2、4次正余弦函数分布的特点，称为短周期误差。高次谐波误差在误差数学模型建立的过程中，可以忽略不计，或认为包含在残差中。因此实用的感应同步器测角系统的误差数学模型可以表示为：

式中：e0为常数，为基波分量；al1c、al1s、al2c、al2s分别为长周期一次谐波余弦相误差系数、一次谐波正弦相误差系数、二次谐波余弦相误差系数、二次谐波正弦相误差系数；as1c、as1s、as2c、as2s、as4c、as4s分别为短周期一次谐波余弦相误差系数、一次谐波正弦相误差系数、二次谐波余弦相误差系数、二次谐波正弦相误差系数、四次谐波余弦相误差系数、四次谐波正弦相误差系数；θ为感应同步器在长周期下的测角值；为感应同步器在短周期下的测角值；p为感应同步器的极对数。

误差模型中的各次谐波系数同样依据最小二乘辨识法来求取。

对感应同步器进行角度标定后，求得n个采样位置处的误差数据ei(n为事先设定好的采样点数，n>11)，将公式写为矩阵形式

e＝ax+ε

式中e为在采样点处的误差矩阵，a为各次谐波值对应的矩阵，x为各次谐波系数矩阵，ε对应高次谐波误差。

x的最小二乘估计为

根据求得的即可建立出感应同步器测角误差模型，得到误差的各次谐波组成，利用此模型对感应同步器进行误差分析和补偿。

3、流程

利用最小二乘辨识法完成测角误差模型的建立需要进行相应的矩阵运算，误差模型建立过程如图8所示。开始后加载矩阵预算函数库；然后创建测角误差矩阵、各次谐波值矩阵以及误差模型系数矩阵；再利用最小二乘辨识法求得误差模型系数矩阵；之后将误差模型系数矩阵的内部数值赋给对应数组；再释放矩阵运算函数库；保存误差模型系数，最后结束。

三、测角误差补偿

关于测角误差的补偿方法，采用三角函数拟合法的方法实现，其利用最小二乘辨识法所建立的测角元件的测角误差模型对测角元件的测角值进行补偿。

其中转台的测角误差模型为：

e＝e0+a1ccosθ+a1ssinθ+a2ccos2θ+a2ssin2θ+ε

感应同步器的测角误差模型为：

在建立完误差模型之后，系统自动将误差模型系数写入文件中保存。误差补偿程序流程图如图9所示，开始后计算辨识误差模型系数(每次循环开始时需将辨识误差模型系数与原误差模型系数求和产生新误差模型系数)；补偿后重新计算；角位置控制；记录采样点各元件读数值，判断采样是否完成，若未完成则下一点返回“角位置控制”这一步骤；若采样完成，则计算测角误差；判断是否满足误差限要求，是则结束，否则返回“计算辨识误差模型系数以及原误差模型系数”这一步骤。

当再次进行数据采集时，从文件中读取系数的信息，对测角值进行补偿。在完成采样之后，计算测角元件经补偿后的测角误差，并判断是否满足误差限要求，如不满足则需对相同的过程进行循环操作，直至补偿后的测角误差满足误差限要求。在每次循环开始时，需将每次辨识出的误差模型系数与原有误差模型系数相加求得新的误差模型系数，并对文件中存储的误差模型系数进行更新。

该方法利用测试计算机自动完成转台定位、测角值检测、数据记录、误差计算、误差模型参数辨识、误差补偿，以及补偿后再检测等工作，解决了现有的感应同步器检测和补偿方法中存在的补偿效果不理想、采样点数受限、模型建立困难、数据存储量大、人为参与较多以及工作效率不高等问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。