圆感应同步器动态测角精度标定装置及其标定方法与流程

本发明涉及角度动态精度测量与标定技术领域，具体地，涉及一种圆感应同步器动态测角精度标定装置及其标定方法，尤其涉及一种高精度圆感应同步器动态测角精度标定方法。

背景技术：

圆感应同步器是一种新型的高精度角度检测元件和角度反馈元件，它是利用电磁耦合原理进行工作的多极对平面印刷绕组部件，它由一个定子和一个转子组成。当定子绕组由高频电流励磁时，在转子绕组中便产生感应电势。转子电信号的变化值直接反映了机械角位移的变化量，经过电路处理，可得出高精度角度数据。由于它具有定位精度高、使用寿命长、抗干扰能力强、对使用环境要求不苛刻等优点，因此被越来越广泛地应用于航天、航海等部门以及仪器仪表、机床制造等行业。

受到感应同步器制作工艺限制、安装误差、轴系基准误差、激磁电源误差、电子线路干扰以及信号解算误差等影响，基于圆感应同步器的测角系统存在测角误差，限制了测角精度和系统控制精度的提升。因此，在一些高精度和高稳定的的应用场合(如空间高精度云台)，需要对测角系统进行全面标定，对数据进行全面分析与误差补偿，确保满足高精度测角和控制的应用要求。

目前感应同步器测角系统测角误差检测方法主要有金属正23面棱体检测法和391齿盘检测法。金属正23面棱体检测法是利用金属正23面棱体和光电自准直仪进行标定。将金属正23面棱体与感应同步器同轴安装，配合光电自准直仪进行检测。先将轴系转至数显0°的位置，调整好自准直仪，记录自准直仪读数α0，然后轴系转至360°(i-1)/n附近，使正n面体的了另一工作面对准自准直仪，并记录自准直仪的读数αi，通过计算可得出轴系实际转动角度，理论角度减去实际角度即可得出测角系统的误差。此方法可以获得很高的静态测角精度，得到广泛应用，但无法获取连续位置和动态测角精度。391齿盘检测法先将齿盘的轴线与被测轴线尽量调整至水平且重合，将一平面反射镜固定在齿盘上方，调整平面反射镜镜面与回转轴线平行。将轴系转至0°位置，自准直仪对准平面反射镜，读取自准直仪读数α0，然后轴系转至15.6522°位置，齿盘反转17齿，平面反射镜对准自准直仪，读取自准直仪读数αi，依次类推，一共测量23个数据。则轴系的测角误差为βi＝±(αi-α0)。此方法计算比较方便，可获得很高的静态测角精度，但需人为将齿盘反转17齿，同样无法获取连续位置和动态测角精度。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种圆感应同步器动态测角精度标定装置及其标定方法。

根据本发明提供的一种圆感应同步器动态测角精度标定装置，安装在操作平台上，包括底座、轴系、永磁同步力矩电机、圆感应同步器、圆光栅及读数头、金属正二十三面棱体、光电自准值仪以及两正交水平仪；

所述圆感应同步器包括圆感应同步器定转子；

所述底座安装在操作平台的第一平台上；所述轴系设置在底座中；沿远离操作平台方向，永磁同步力矩电机、圆感应同步器、圆光栅及读数头、金属正二十三面棱体以及两正交水平仪依次设置在轴系上；

所述光电自准值仪设置在操作平台的第二平台上。

优选地，本发明提供的圆感应同步器动态测角精度标定装置还包括驱动控制电路和/或计算机；

-所述驱动控制电路能够控制永磁同步力矩电机、圆感应同步器以及圆光栅及读数头；和/或

-所述驱动控制电路能够对永磁同步力矩电机、圆感应同步器以及圆光栅及读数头的信号处理为第一数据；

所述计算机能够对第一数据进行分析计算。

优选地，所述底座为隔振底座。

优选地，所述圆感应同步器、圆光栅及读数头以及金属正二十三面棱体同轴安装。

优选地，所述两正交水平仪能够检测轴系的倾角回转误差并进行补偿。

优选地，所述光电自准值仪的中心轴线水平，且与金属正二十三面棱体同高；光电自准值仪的中心轴线与轴系的中心轴线垂直。

根据本发明提供的一种圆感应同步器动态测角精度标定方法，利用上述的圆感应同步器动态测角精度标定装置，包括：

标定准备步骤：调整操作平台并装调圆感应同步器动态测角精度标定装置中的各组件；

轴系倾角回转误差检测步骤：驱动轴系，利用两正交水平仪对轴系的倾角回转误差进行检测和补偿；

圆感应同步器和圆光栅静态校准步骤：驱动轴系以ω0＝0.1°/s的角速度转动，驱动测角系统分别运行至23个标称角位置，金属正二十三面棱体依次将第一、第二、第三……第二十三个工作面对准光电自准值仪，驱动控制电路依次采集光电自准值仪的23个读数，并记为αi，其中i＝0，1，2，...，22；则通过第一公式计算这23个位置的零起角角度误差βi，角度误差标定后通过补偿减小圆感应同步器和圆光栅的测角误差；

所述23个标称角位置分别为第一角度的0至22倍这23个角度所表示的位置，第一角度为15.6522°；所述第一公式为：

βi＝±(αi-α0)-δi+1，i＝0，1，2，...，22

其中，δi+1为第i+1个工作面相对于第一个工作面的偏差，当测角系统读数和光电自准值仪均增加时，(αi-α0)取正号，否则，(αi-α0)取负号。

优选地，本发明提供的圆感应同步器动态测角精度标定方法还包括：

圆感应同步器和圆光栅的基准零位测定步骤：驱动轴系以ω0＝0.1°/s的角速度从0°转动，并使金属正二十三面棱体的第一个工作面对准光电自准值仪，控制轴系分别运动至2n个第二角度，驱动控制电路依次采集光电自准值仪的读数并记为θj，则通过第二公式计算圆感应同步器和圆光栅的基准零位误差θ0，随后对圆感应同步器和圆光栅的基准零位误差进行修正；

其中，第二角度为360°×j，-n≤j≤n，j为正整数，n为设定的不大于5的自然数。

所述第二公式为：

优选地，本发明提供的圆感应同步器动态测角精度标定方法还包括：

动态测角精度标定与补偿步骤：驱动轴系以设定的角速度或角加速度运动，通过时间统一信号，同时采集圆感应同步器和圆光栅的角度值，并以圆光栅的角度值为真值

-得到不同的角速度或角加速度下的圆感应同步器的动态误差曲线；和/或

-间接得到圆感应同步器的速率稳定度；

根据动态误差曲线和/或速率稳定度采用数据拟合的方法进行动态误差补偿。

优选地，本发明提供的圆感应同步器动态测角精度标定方法还包括：

重复标定验证步骤：重复执行标定准备步骤、轴系倾角回转误差检测步骤、圆感应同步器和圆光栅静态校准步骤、圆感应同步器和圆光栅的基准零位测定步骤以及动态测角精度标定与补偿步骤，直至精度指标达到设定值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的圆感应同步器动态测角精度标定装置，具有标定精度高，装置调校方便的优点；

2、本发明提供的圆感应同步器动态测角精度标定方法，融合了静态测角精度和动态测角精度标定的优点，先利用静态测角精度标定装置标定和补偿零位误差以及动态测角精度标定长周期误差，后利用动态测角精度标定装置实现圆感应同步器测角精度的连续动态标定，真正实现了圆感应同步器测角精度的高精度动态连续标定。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的圆感应同步器动态测角精度标定装置的结构示意图；

图2为本发明提供的圆感应同步器动态测角精度标定方法的流程示意图。

图中示出：

操作平台1

底座2

轴系3

永磁同步力矩电机4

圆感应同步器定转子5

圆光栅及读数头6

金属正二十三面棱体7

光电自准值仪8

两正交水平仪9

驱动控制电路10

计算机11

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种圆感应同步器动态测角精度标定装置，安装在操作平台1上，包括底座2、轴系3、永磁同步力矩电机4、圆感应同步器、圆光栅及读数头6、金属正二十三面棱体7、光电自准值仪8以及两正交水平仪9；所述圆感应同步器包括圆感应同步器定转子5；所述底座2安装在操作平台1的第一平台上；所述轴系3设置在底座2中；沿远离操作平台1方向，永磁同步力矩电机4、圆感应同步器、圆光栅及读数头6、金属正二十三面棱体7以及两正交水平仪9依次设置在轴系3上；所述光电自准值仪8设置在操作平台1的第二平台上。

优选地，本发明提供的圆感应同步器动态测角精度标定装置还包括驱动控制电路10和/或计算机11；

-所述驱动控制电路10能够控制永磁同步力矩电机4、圆感应同步器以及圆光栅及读数头6；和/或

-所述驱动控制电路10能够对永磁同步力矩电机4、圆感应同步器以及圆光栅及读数头6的信号处理为第一数据；

所述计算机11能够对第一数据进行分析计算。

具体地，所述底座2为隔振底座。所述圆感应同步器、圆光栅及读数头6以及金属正二十三面棱体7同轴安装。所述两正交水平仪9能够检测轴系3的倾角回转误差并进行补偿。所述光电自准值仪8的中心轴线水平，且与金属正二十三面棱体7同高；光电自准值仪8的中心轴线与轴系3的中心轴线垂直。

根据本发明提供的一种圆感应同步器动态测角精度标定方法，利用上述的圆感应同步器动态测角精度标定装置，包括：

标定准备步骤：调整操作平台1并装调圆感应同步器动态测角精度标定装置中的各组件；

轴系倾角回转误差检测步骤：驱动轴系3，利用两正交水平仪9对轴系的倾角回转误差进行检测和补偿；

圆感应同步器和圆光栅静态校准步骤：驱动轴系3以ω0＝0.1°/s的角速度转动，驱动测角系统分别运行至23个标称角位置，金属正二十三面棱体7依次将第一、第二、第三……第二十三个工作面对准光电自准值仪8，驱动控制电路10依次采集光电自准值仪8的23个读数，并记为αi，其中i＝0，1，2，...，22；则通过第一公式计算这23个位置的零起角角度误差βi，角度误差标定后通过补偿减小圆感应同步器和圆光栅的测角误差；

所述23个标称角位置分别为第一角度的0至22倍这23个角度所表示的位置，第一角度为15.6522°；所述第一公式为：

βi＝±(αi-α0)-δi+1，i＝0，1，2，...，22

其中，δi+1为第i+1个工作面相对于第一个工作面的偏差，当测角系统读数和光电自准值仪8均增加时，(αi-α0)取正号，否则，(αi-α0)取负号。

更具体地，本发明提供的圆感应同步器动态测角精度标定方法还包括：

圆感应同步器和圆光栅的基准零位测定步骤：驱动轴系3以ω0＝0.1°/s的角速度从0°转动，并使金属正二十三面棱体7的第一个工作面对准光电自准值仪8，控制轴系3分别运动至2n个第二角度，驱动控制电路10依次采集光电自准值仪8的读数并记为θj，则通过第二公式计算圆感应同步器和圆光栅的基准零位误差θ0，随后对圆感应同步器和圆光栅的基准零位误差进行修正；

其中，第二角度为360°×j，-n≤j≤n，j为正整数，n为设定的不大于5的自然数。

所述第二公式为：

动态测角精度标定与补偿步骤：驱动轴系3以设定的角速度或角加速度运动，通过时间统一信号，同时采集圆感应同步器和圆光栅的角度值，并以圆光栅的角度值为真值

-得到不同的角速度或角加速度下的圆感应同步器的动态误差曲线；和/或

-间接得到圆感应同步器的速率稳定度；

根据动态误差曲线和/或速率稳定度采用数据拟合的方法进行动态误差补偿。

重复标定验证步骤：重复执行标定准备步骤、轴系倾角回转误差检测步骤、圆感应同步器和圆光栅静态校准步骤、圆感应同步器和圆光栅的基准零位测定步骤以及动态测角精度标定与补偿步骤，直至精度指标达到设定值。

进一步地，本发明的优选例能够完成高精度圆感应同步器零位、静态和动态测角精度的标定，可用于高精度云台的动态测角系统精度标定与提升，解决了对高精度圆感应同步器测角系统进行全面标定及误差分析与补偿的难题，有效的提高了系统精度。

通过标定装置，本发明的优选标定方法包含如下步骤：

步骤1：标定准备：

主要包括操作平台的调整，精密轴系的安装，电机、圆感应同步器、圆光栅、金属正23面棱体、水平仪的装调，驱动控制电路的连接，以及其他相关设备的配置；

步骤2：轴系倾角回转误差检测：

驱动轴系，利用水平仪参照gjb1801-93对轴系的倾角回转误差进行检测和补偿；

步骤3：圆感应同步器和圆光栅静态校准：

驱动轴系以ω0＝0.1°/s的角速度转动，驱动系统分别运行至0°，15.6522°，...，344.3478°等23个标称角位置，金属正23面棱体按第1，2，3，…，23个工作面顺序对准自准直仪。利用驱动控制系统采集自准直仪在23个位置的读数为αi，则上述23个位置的零起角角度误差βi为：

βi＝±(αi-α0)-δi+1，i＝0，1，2，…，22(1)

式中，δi+1为第i+1工作面对于第1工作面的偏差。当测角系统显示读数增加、自准直仪读数也增加，(αi-α0)取正号，反之取负号。

角度误差标定出后利用最小二乘法或其他方法进行补偿，减小圆感应同步器和圆光栅测角误差。

步骤4：圆感应同步器和圆光栅的基准零位测定：

驱动轴系以ω0＝0.1°/s的角速度从0°转动，并使金属正23面棱体第1个面对准自准直仪。控制轴系运动360°×i(i＝(-n，1，n)，分别采集自准直仪在第i个采样点的读数为θi，则圆感应同步器和圆光栅的基准零位误差为：

测定后对圆感应同步器和圆光栅的基准零位误差进行修正。

步骤5：动态测角精度标定与补偿：

驱动轴系以不同的角速度或角加速度运动，通过时间统一信号，同时采集圆感应同步器和圆光栅的角度值，并以圆光栅的角度值为真值，得到不同的角速度或角加速度下的圆感应同步器的动态误差曲线，也可以间接得出圆感应同步器的速率稳定度。动态标定要保证采样时间同步，并根据结果采用数据拟合的方法进行动态误差补偿。

步骤6：重复标定并验证：

对经过改进和补偿后的圆感应同步器测角系统进行再次标定与补充，最终得到满意的精度指标。

更进一步地，本发明的优选例将空间跟踪指向云台使用的高精度圆感应同步器测角系统为待标定系统，采用rdc-19220跟踪式轴角数字转换器作为主芯片完成信号解算，转换位数为16位，角度分辨率为0.055″，测角精度为±1.5″，测量转速小于3°/s。圆感应同步器安装时需要利用千分表或测微仪精确保证定、转子中心同心度控制在0.01mm内，定、转子平行度控制在0.01mm以内，定转子之间的间隙控制在0.200.05mm。

选用p2级高精度轴承实现轴系3的高精度安装与紧固，通过在轴上正交布置两个高精度双轴电子水平仪，电子水平仪的分辨率为0.0002″，测量精度为0.1″，测量范围±400″，通过电子水平仪对轴系倾角回转误差进行检测并补偿，保证轴系的运动精度。

通过精密配合保证永磁同步力矩电机4的安装精度和定、转子之间的气隙，电机的齿槽转矩控制在连续堵转力矩的0.5％，力矩波动系数为控制在0.5％，保证轴系的驱动控制精度。

金属正二十三面棱体7等级为0级，工作角偏差为±1″，工作角测量不确定度为0.2″。光电自准直仪采用英国taylorhobsonultra光电自动准值仪，量程5°×5°，分辨率0.001″，最佳精度0.1″，两者配合使用可用于圆感应同步器和圆光栅静态测角精度的标定与补偿，以及圆感应同步器和圆光栅基准零位的测定。

圆光栅选用renishaw公司的resa型绝对式圆光栅及配套的两个读数头。圆光栅测角精度±0.69″，分辨率为0.019″，因安装误差会引起测角误差，需通过金属正二十三面棱体7和光电自准直仪8进行标定和补偿。

以上安装调整完毕后，按照图2所示标定流程进行标定，各个步骤的对应内容见上文。标定完成后，可以获得感应同步器的零位误差、静态误差和动态误差，并进行误差补偿，实现圆感应同步器测角精度的进一步提升。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。