专利名称：一种基于感应同步器或旋转变压器的位置及速度测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及速度、位置的测量技术，更具体地说，本发明涉及一种基于感应同步器 或旋转变压器的位置及速度测量装置。
背景技术：
感应同步器和旋转变压器都是利用电磁原理将线位移或角位移转换成电信号的 传感器，搭配驱动电路可以通过电信号的幅度或相位提取出位置信息，两种传感器具有相 同的工作原理。由于感应同步器和旋转变压器的工作原理是基于静止情况下所设计，因此 无论是依据鉴幅型还是鉴相型方法所制造的测量装置，在移动或转动过程中都会出现动态 误差，甚至会 造成计算错误。
其中鉴相型方法如《哈尔滨理工大学学报》2003年2月第8卷第1期第12_14页 《鉴相型感应同步器动态测角系统研究》一文所讨论的方法，依据其原理所制造的测量装置 如图1所示，包括激磁电路、感应同步器或旋转变压器、信号处理电路、中央处理单元，激磁 信号由激磁电路产生并进行功率放大，功率信号通过感应同步器或旋转变压器后，由信号 处理电路进行滤波、放大、移相，得到的信号如(1)式所示 其中k为常数，θ t为信号相位，代表了一个细分周期内转过的机械角，(Ot为感应 同步器或旋转变压器运动的速度，Qci为激磁信号角频率。(1)式中信号e经过整形后由中 央处理单元识别出其相位信息并获得位置信息，并由位置信息差分获得速度信息，中央处 理单元内程序运算的流程图如图2所示。根据这种方法所制造的测量装置，其优点是不用 产生跟踪信号或进行乘法运算，因此比鉴幅型方法实现方便、成本低。不足之处是由于运 动的机械角本身也是个时变量，在转动时会造成信号频率的变化，如(2)式所示， 由(2)式识别出的相位信息Θ/和实际经过的机械角并不相等，带来动态误差， 同时会使得在感应同步器转过细分周期零点时测量结果出现跳变，如图3所示，并使速度 计算在该采样周期出现错误，如图4所示。
发明内容
基于上述问题，本发明的目的是设计出一种结构简单、成本低廉、准确度高的基于 感应同步器或旋转变压器的位置及速度测量装置。
本发明是鉴相型测量装置的改进，包括激磁电路、感应同步器或旋转变压器、信号 处理电路、中央处理单元，激磁信号由激磁电路产生并进行功率放大，功率信号通过感应同 步器或旋转变压器后，由信号处理电路进行滤波、放大、移相、整形后送入中央处理单元，中 央处理单元内程序的处理步骤为1)识别信号的相位信息；2)判断是否需要进行相位修正，如需要修正，则用以下公式进行修正 或《 或其中Θ/为修正后的相位信息，θ 修正前的相位信息，为激磁信号角频 率，Ot为当前速度，a为当前加速度；3)通过相位信息获得位置信息，并建立堆栈，堆栈的深度为2或2以上；4)判断是否需要进行位置修正，如无需修正，则使当前位置信息进栈，如需要修 正，则按以下步骤进行修正，其流程图如图5所示a)判断移动或转动的方向，如运动方向和相位增长方向相同则为正向，反之则为 反向；b)当反向运动时，判断本采样周期是否经过零点，如不经过零点，则将本采样周期 提取的位置信息进栈，如经过零点，则将两个位置信息依次进栈，第一个为该零点所对应的 位置值，第二个为当前采样周期所提取的位置值；c)当正向运动时，判断本采样周期是否提取出相位信息，如能提取出，则将本采样 周期提取的位置信息进栈，如提取不出相位信息，本采样周期不做任何操作；5)由堆栈内的位置信息差分获得速度信息；6)判断是否需要进行速度修正，如需要修正，则用以下公式进行修正 或 或 或
ω/ = ω((1 ++ αθ < ~+ ^2 其中ω/为修正后的速度，为修正前的速度；7)由当前速度信息和上一采样周期所获得的速度信息差分获得加速度信息，并将 加速度信息用于对相位和速度的修正中。中央处理单元对信号的处理流程如图6所示。本发明继承了现有鉴相型装置结构简单、成本低廉的优点，同时也具有更高的动 态精度，而且不会在经过细分周期零点时出现速度计算错误。以下为修正算法的证明。为更好的理解修正算法的原理，以示波器上所观测到的 信号波形建模如图7所示。把感应同步器输出信号看成是一个以速度为《1运动的物体，而 采样器在每个周期初始返回上一次的采样结果并以Qci的速度开始追赶它，当二者相遇时， 以相遇的位置作为采样结果，采样结果的量化级数D = fc/f0,即每个DN值代表2 π /D的电 气细分角，其中为感应同步器速度，Oci为激磁信号角频率，fc为采样频率，f0为激磁信 号频率。这样，系统对信号的采样就转变成了两个物体的相遇问题，而采样频率则只是对相 遇时间的判别造成量化误差，我们称这个模型为相遇模型。不失一般性，假设感应同步器的 加速度为α，并且在同一采样周期内系统做勻加速转动。另外，由于量化的原因，满量程采 样只有(D_l)/D个周期，因此系统在正向和反向通过感应同步器零点时情况略有不同。当反向运转时，假设Ttl时刻在某个采样周期的初始位置采样到第一个上升沿，由 于此时该采样周期才刚开始，而系统要在采样周期结束后才会返回采样结果，因此在将近 一个周期后即在Ttl+Δ T时刻返回该次采样的结果O并开始新一轮采样。此时感应同步器 已经过- tAT-a ΔΤ2/2的位移，其中ΔΤ = 2π/ω。为采样周期。那么，根据相遇模型， 下一次采样到信号的上升沿所经历的时间满足 解该方程并且略去高次项得 AT(3)从(3)式可以看出，加速度α只影响到计算结果的三次项，因此可以暂时忽略仅 考虑勻速的情况。这个时候，当前采样周期已快结束，系统马上就会返回当次采样结果。 也就是说，在！>2 Δ T时刻，系统返回第二次采样结果的时候，感应同步器实际已经转过了 约-2 tAT的角度，而系统却会误判只走了-ω,Τ的角度，误差-ω,Τ。系统的模型如 0 7(a)所示。当正向运转时，假设在Ttl时刻，在某一周期的最后时刻采样到信号的上升沿，并 在TfAt时刻返回该次采样的结果D-1，同时开始新一轮采样。此时感应同步器已经过
t+α At2/2的位移，其中At= ΔΤ/D为采样间隔。那么，根据相遇模型，下一次采样 到系统上升沿所需要的时间满足
解该方程并略去高次项得
> △T(4)从(4)式可以看出，角加速度α仍然在计算结果的三次项中，可暂时忽略不计，仅 考虑勻速的情况。此时感应同步器信号已经进入下一个周期，在本周期不会与采样信号相 遇。换一种说法就是感应同步器输出信号的频率大于fo，而此时计数器已经重新清零。这 样采样器可能会返回上一次的采样结果D-1，也可能会返回一个结果0，这取决于系统本身 的设定。假设系统是返回上一次采样结果，那么就会误判感应同步器此时是静止的，而实际 上感应同步器转过了约ω,Τ的角度，误差ω,Τ。这时的系统模型如图7(b)所示。根据前面的分析，对于勻速转动的系统，动态误差在即将通过零点时会累积到最 大值达到(Ρ/360) · (Ot7^ci),其中ρ为感应同步器极对数。那么在其余角度，误差应具有 如下形式 (5)式即为动态误差的一次修正因子，这样(2)式则变为 由(3)、(4)和(5)式可以推出修正算法的误差，首先考虑勻速转动的情况 (7)式是由(3)式和(5)式得到，因为在讨论感应同步器反向通过零点时实际考虑 了两个采样周期，因此要除以2 ΔΤ。同时，由(4)式和(5)式可以得到 如果采样频率足够高，可以看做D—c ，那么⑶式则变成
考虑方向后，(7)式和(9)式具有相同的形式。加入这两式的误差，(5)式应该修 正为 在变速运动的情况下，需要加入(3)式和(4)式中的三次项。由于(3)式分析了 两个采样周期的情况，在平方后和(4)式的三次项有个4倍的关系。因此，结合(7)、(9)和 (10)式的形式，可推出变速运动时的修正因子为 (5)式、(10)式和(11)式分别为相位动态误差的一次、二次和三次修正因子。分别 对(5)式、(10)式和(11)式求导可以得到速度动态误差的一次、二次和三次修正因子为 (14)对于位置和速度精度都有要求的系统，仅需要对相位进行动态误差修正即可，用修正后的相位计算出的位置和速度，其动态误差已被修正。而对位置精度要求不高但对速度精度要求高的系统，可以仅对速度进行动态误差修正而不需要对位置进行修正。传统的 速度算法仅记录一个过去提取出的位置信息，并与当前提取出的位置信息差分获得速度， 这种方法对图2所示的位置突变没有免疫力，导致速度计算错误。为获得连续的位置信息， 需要进行插值处理，同时也需要至少记录两个或两个以上过去提取出的位置信息。插值处 理相当于对速度的零次修正，尤其适用于以FPGA这种不擅长浮点运算的芯片作为中央处 理芯片的系统，角度信息经过插值处理后计算出的速度信息其动态误差已大大减小。本发 明使用堆栈的方法记录角度信息，因此堆栈的深度为2或2以上，计算速度所用到的位置信 息从堆栈内提取，每个采样周期即提取相位或位置的周期进行一次进栈处理。插值算法的 步骤及构思为a)判断移动或转动的方向，如运动方向和相位增长方向相同则为正向，反之则为 反向。b)当反向运动时，因信号频率变大、周期变短，需要在一个细分周期内插入一个位 置信息，该位置信息为该细分周期零点所对应的位置。因此需要判断本采样周期是否经过 零点，如不经过零点，则将本采样周期提取的位置信息进栈；如经过零点，则将两个位置信 息依次进栈，第一个为该零点所对应的位置值，第二个为当前采样周期所提取的位置值。c)当正向运动时，因信号频率变小、周期变长，一个细分周期内的最后一个采样周 期会提取不出相位信息，寄存器内存储的位置信息为上一个采样周期所提取的位置信息， 需要扔掉该错误的位置信息。因此需要判断本采样周期是否提取出相位信息，如能提取出， 则将本采样周期提取的位置信息进栈；如提取不出相位信息，表示即将经过零点，本采样周 期不做任何操作，即相当于扔掉一个错误的位置信息。插值和进栈算法的流程图如图4所示。
图1基于感应同步器或旋转变压器的测量装置基本结构框图。图2传统鉴相型测量装置中央处理单元程序流程图。图3传统鉴相型测量装置过零点时位置信息跳变示意图。图4传统鉴相型测量装置过零点时速度计算错误示意图。图5本发明插值堆栈算法流程图。图6本发明中央处理单元程序流程图。图7本发明动态误差修正算法模型。
具体实施例方式本发明包括激磁电路、感应同步器或旋转变压器、信号处理电路、中央处理单元， 激磁信号由激磁电路产生并进行功率放大，功率信号通过感应同步器或旋转变压器后，由 信号处理电路进行滤波、放大、移相、整形后送入中央处理单元，中央处理单元内程序的处 理步骤为1)识别信号的相位信息；2)判断是否需要进行相位修正，如系统在动态测量时对位置也有要求，则需要先对相位进行修正，修正公式由(5)、(10)、(11)式推导得
(15)或 或
(17)其中Θ/为修正后的相位信息，θ 修正前的相位信息，为激磁信号角频 率，Ot为当前速度，a为当前加速度，以上公式根据系统设计指标选择一个，(15)式的误差 最大，(17)式的误差最小；3)通过相位信息获得位置信息，并建立堆栈，堆栈的深度为2或2以上；4)判断是否需要进行位置修正，如之前已对相位进行修正过，则无需再进行位置 修正；如无需修正，则使当前位置信息进栈，如需要修正，则按以下步骤进行修正，其流程图 如图4所示a)判断移动或转动的方向，如运动方向和相位增长方向相同则为正向，反之则为 反向；b)当反向运动时，判断本采样周期是否经过零点，如不经过零点，则将本采样周期 提取的位置信息进栈，如经过零点，则将两个位置信息依次进栈，第一个为该零点所对应的 位置值，第二个为当前采样周期所提取的位置值，c)当正向运动时，判断本采样周期是否提取出相位信息，如能提取出，则将本采样 周期提取的位置信息进栈，如提取不出相位信息，本采样周期不做任何操作；5)由堆栈内的位置信息差分获得速度信息；6)判断是否需要进行速度修正，如之前已对相位进行修正，则无需对速度进行修 正；如之前已对位置进行过修正，则对速度可进行修正，也可不修正，取决于系统设计指标， 如对速度动态精度要求高，则需要进行速度修正；如需要修正，则用以下公式进行修正 或 或
或 其中ω/为修正后的速度，为修正前的速度，以上公式根据系统设计指标选 择一个，(18)式的误差最大，(21)式的误差最小；7)由当前速度信息和上一采样周期所获得的速度信息差分获得加速度信息，并将 加速度信息用于对相位和速度的修正中。中央处理单元对信号的处理流程如图5所示。
权利要求
一种基于感应同步器或旋转变压器的位置及速度测量装置，采用鉴相型处理方法，包括激磁电路、感应同步器或旋转变压器、信号处理电路、中央处理单元，激磁信号由激磁电路产生并进行功率放大，功率信号通过感应同步器或旋转变压器后，由信号处理电路进行滤波、放大、移相、整形后送入中央处理单元，其特征在于所述的中央处理单元内程序运行的步骤为1)识别信号的相位信息；2)判断是否需要进行相位修正，如需要修正，则用以下公式进行修正 <mrow><msup> <msub><mi>θ</mi><mi>t</mi> </msub> <mo>′</mo></msup><mo>=</mo><msub> <mi>θ</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac><msub> <mi>ω</mi> <mi>t</mi></msub><msub> <mi>ω</mi> <mn>0</mn></msub> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>或 <mrow><msup> <msub><mi>θ</mi><mi>t</mi> </msub> <mo>′</mo></msup><mo>=</mo><msub> <mi>θ</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac><msub> <mi>ω</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <msub><mi>ω</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>ω</mi><mi>t</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>或 <mrow><msup> <msub><mi>θ</mi><mi>t</mi> </msub> <mo>′</mo></msup><mo>=</mo><msub> <mi>θ</mi> <mi>t</mi></msub><mo>[</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac> <msub><mi>ω</mi><mi>t</mi> </msub> <mrow><msub> <mi>ω</mi> <mn>0</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>ω</mi> <mi>t</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>+</mo><msub> <mi>θ</mi> <mi>t</mi></msub><mfrac> <mrow><mi>a</mi><msub> <mi>ω</mi> <mi>t</mi></msub> </mrow> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>ω</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>ω</mi><mi>t</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mn>3</mn> </msup></mfrac><mo>]</mo> </mrow>其中θt′为修正后的相位信息，θt为修正前的相位信息，ω0为激磁信号角频率，ωt为当前速度，a为当前加速度；3)通过相位信息获得位置信息，并建立堆栈，堆栈的深度为2或2以上；4)判断是否需要进行位置修正，如无需修正，则使当前位置信息进栈，如需要修正，则按以下步骤进行修正a)判断移动或转动的方向，如运动方向和相位增长方向相同则为正向，反之则为反向；b)当反向运动时，判断本采样周期是否经过零点，如不经过零点，则将本采样周期提取的位置信息进栈，如经过零点，则将两个位置信息依次进栈，第一个为该零点所对应的位置值，第二个为当前采样周期所提取的位置值；c)当正向运动时，判断本采样周期是否提取出相位信息，如能提取出，则将本采样周期提取的位置信息进栈，如提取不出相位信息，本采样周期不做任何操作；5)由堆栈内的位置信息差分获得速度信息；6)判断是否需要进行速度修正，如需要修正，则用以下公式进行修正 <mrow><msup> <msub><mi>ω</mi><mi>t</mi> </msub> <mo>′</mo></msup><mo>=</mo><msub> <mi>ω</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac><msub> <mi>ω</mi> <mi>t</mi></msub><msub> <mi>ω</mi> <mn>0</mn></msub> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>或 <mrow><msup> <msub><mi>ω</mi><mi>t</mi> </msub> <mo>′</mo></msup><mo>=</mo><msub> <mi>ω</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac><msub> <mi>ω</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <msub><mi>ω</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>ω</mi><mi>t</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>或 <mrow><msup> <msub><mi>ω</mi><mi>t</mi> </msub> <mo>′</mo></msup><mo>=</mo><msub> <mi>ω</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac><msub> <mi>ω</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <msub><mi>ω</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>ω</mi><mi>t</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>a</mi><msub> <mi>θ</mi> <mi>t</mi></msub><mfrac> <msub><mi>ω</mi><mn>0</mn> </msub> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>ω</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>ω</mi><mi>t</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></mfrac> </mrow>或 <mrow><msup> <msub><mi>ω</mi><mi>t</mi> </msub> <mo>′</mo></msup><mo>=</mo><msub> <mi>ω</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac><msub> <mi>ω</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <msub><mi>ω</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>ω</mi><mi>t</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>a</mi><msub> <mi>θ</mi> <mi>t</mi></msub><mfrac> <mrow><msubsup> <mi>ω</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><msub> <mi>ω</mi> <mn>0</mn></msub><msub> <mi>ω</mi> <mi>t</mi></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msubsup> <mi>ω</mi> <mi>t</mi> <mn>2</mn></msubsup> </mrow> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>ω</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>ω</mi><mi>t</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mn>3</mn> </msup></mfrac> </mrow>其中ω′t为修正后的速度，ωt为修正前的速度；7)由当前速度信息和上一采样周期所获得的速度信息差分获得加速度信息，并将加速度信息用于对相位和速度的修正中。
全文摘要
本发明公开了一种基于感应同步器或旋转变压器的位置及速度测量装置。采用鉴相型处理方法，包括激磁电路、感应同步器或旋转变压器、信号处理电路、中央处理单元，激磁信号由激磁电路产生并进行功率放大，功率信号通过感应同步器或旋转变压器后，由信号处理电路进行滤波、放大、移相、整形后送入中央处理单元，中央处理单元由信号的相位信息获得位置信息，由位置信息差分获得速度信息，由速度信息差分获得加速度信息，由速度及加速度信息对相位或速度进行动态误差修正。本发明实现简单、成本低廉、准确度高、既适用于高速也适用于低速运转的情况，可以应用于航空航天、军事和工业等领域实现动态位置和速度测量。
文档编号G01P13/04GK101881784SQ20101019887
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月11日 优先权日2010年6月11日
发明者刘银年, 庄晓琼, 张 育, 王建宇, 王晟伟, 王跃明 申请人:中国科学院上海技术物理研究所