一种双轴精密离心机相位同步测量系统及测量方法与流程

1.本发明涉及双轴精密离心机技术领域，具体为一种双轴精密离心机相位同步测量系统及测量方法。


背景技术：

2.精密离心机是用于惯性仪表标校的重要测试仪器之一。精密离心机一般采用大惯量的圆盘式转台给待测惯性仪表提供离心力输入，激励惯性仪表的高次项误差系数，以提高惯性仪表的标校精度。传统的单轴精密离心机在产生大的离心力输出时，也会产生较大的角速度。对于陀螺仪等对角速度敏感的高精度惯性仪表标校，其理想的标校环境是零角速度输入且指向固定，因而传统的单轴精密离心机较大角速度输入会导致陀螺仪的高阶误差模型系数难以达到较高的标定精度。
3.传统的双轴精密离心机仅通过双轴同速率反转以提供零角速度输入，但却不能满足高精度惯性仪表标校时对双轴精密离心机角秒级的相位锁定控制要求。而相位锁定控制的实现依赖于对双轴相位差的同步高精度测量，由于离心机高转速条件下的电磁辐射等干扰因素影响，圆光栅编码器产生的高频脉冲信号容易出现质量降低问题，导致现有货架产品在处理高频脉冲信号时会出现脉冲信号丢失，进而造成相位测量错误；同时现有货架产品对相位进行实时计算的频率较低，对双轴相位进行测量并计算双轴间相位差的时间同步性难以满足指标要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双轴精密离心机相位同步测量系统及测量方法。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.一种双轴精密离心机相位同步测量系统，包括工控机、实时控制系统、主轴伺服驱动器、主轴电机、主轴绝对式圆光栅、主轴增量式圆光栅、从轴伺服驱动器、从轴电机、从轴绝对式圆光栅、从轴增量式圆光栅；
7.所述实时控制系统包括fpga芯片、高频脉冲信号采集卡、高频脉冲信号发送卡，所述高频脉冲信号采集卡以及高频脉冲信号发送卡分别与fpga芯片连接；
8.所述工控机通过以太网与高频脉冲信号采集卡连接；所述工控机还与主轴伺服驱动器连接；
9.所述高频脉冲信号发送卡与从轴伺服驱动器连接；
10.所述主轴增量式圆光栅以及从轴增量式圆光栅分别与高频脉冲信号采集卡连接；
11.所述从轴电机以及从轴绝对式圆光栅分别与从轴伺服驱动器连接；
12.所述主轴电机以及主轴绝对式圆光栅分别与主轴伺服驱动器连接；
13.所述高频脉冲信号发送卡用于生成从轴电机运动控制所需的步进运动脉冲信号；
14.所述主轴电机用于驱动精密离心机主轴转动，所述从轴电机用于驱动精密离心机
从轴转动。
15.进一步的，所述主轴绝对式圆盘光栅用于获取并反馈主轴的转速和位置信息，所述主轴增量式圆光栅用于获取并反馈主轴的脉冲信号，所述从轴绝对式圆盘光栅用于获取并反馈从轴的转速和位置信号，所述从轴增量式圆光栅用于获取并反馈从轴的脉冲信号。
16.进一步的，所述主轴伺服驱动器用于接收工控机转速指令和主轴绝对式圆光栅的转速和位置反馈，同时驱动主轴电机转动，所述从轴伺服驱动器用于接收实时控制系统的步进运动脉冲信号和从轴绝对式圆光栅的转速和位置反馈，并驱动从轴电机转动。
17.一种双轴精密离心机相位同步测量方法，包括权利要求1至3任意所述的一种双轴精密离心机相位同步测量系统，还包括以下步骤：
18.s1，通过工控机向主轴伺服驱动器输入转速指令，主轴伺服驱动器对主轴电机进行稳态转速伺服控制，主轴电机驱动精密离心机主轴转动，主轴增量式圆光栅采集主轴脉冲信号并上传至实时控制系统，执行步骤s2；
19.s2，实时控制系统根据主轴脉冲信号生成主轴脉冲指令并发送至从轴伺服驱动器，从轴伺服驱动器对从轴电机进行稳态转速伺服控制，从轴电机驱动精密离心机从轴转动，执行步骤s3；
20.s3，主轴增量式圆光栅以及从轴增量式圆光栅分别采集主轴以及从轴的脉冲信号并上传至实时控制系统，实时控制系统对主轴以及从轴的脉冲信号进行脉冲计数，并计算主轴以及从轴间的相位偏差，执行步骤s4；
21.s4，实时控制系统将从轴电机脉冲信号与相位偏差进行求和运算得到新的脉冲信号，并将新的脉冲信号发送至从轴伺服驱动器，从轴伺服驱动器根据新的脉冲信号对从轴电机进行稳态转速伺服控制，从轴电机再驱动精密离心机从轴转动。
22.进一步的，所述步骤s3中，脉冲计数是通过对主轴脉冲信号以及从轴脉冲信号的a\b相的高低电平检测实现，在这个过程中，如高频脉冲输入时发生脉冲捕获丢失现象，实时控制系统将测量相位脉冲信号z相的上升沿，判定两次相位脉冲信号z相上升沿之间的主轴和从轴转过的角度是否等于增量式圆光栅每圈输出的相位脉冲信号a\b相的个数，如不相等，则对整圈脉冲计数累积结果进行补减。
23.进一步的，所述脉冲计数的具体步骤为：
24.s61，在实时控制系统的fpga程序中设置一个定时检测循环，对主轴和从轴脉冲信号a\b相的高低电平进行不间断检测，通过反馈节点检测脉冲信号的a\b相的上升沿和下降沿，并将脉冲信号a相上升沿定义为一次脉冲检测周期的起点，执行步骤s62；；
25.s62，设定主轴步进运动加权值变量为a1，根据主轴脉冲信号a\b相上升沿和下降沿位置对应的脉冲信号电平对圆光栅旋转方向进行判定，将主轴旋转方向定义为正值，将从轴旋转方向定义为负值，检测到与主轴旋转方向相同则对a1加0.25，检测到与从轴旋转方向相同则对a1减0.2，设定从轴步进运动加权值变量为a2，根据从轴脉冲信号a\b相上升沿和下降沿位置对应的脉冲信号电平对圆光栅旋转方向进行判定，将从轴旋转方向定义为正值，将主轴旋转方向定义为负值，检测到与从轴旋转方向相同则对a2加0.25，检测到与主轴旋转方向相同则对a2减0.25。
26.进一步的，所述主轴以及从轴间的相位偏差计算步骤为：
27.s71，对主轴脉冲信号a相上升沿、脉冲信号b相上升沿、脉冲信号a相下降沿、脉冲
信号b相下降沿分别按顺序编号，随着脉冲信号测量过程的推进，该次序编号将以循环方式递进，对从轴脉冲信号a相上升沿、脉冲信号b相下降沿、脉冲信号a相下降沿、脉冲信号b相上升沿同样按顺序编号，随着脉冲信号测量过程的推进，该次序编号将以循环方式递进，执行步骤s72
28.s72，当步骤s62中主轴脉冲信号次序编号出现后一位小于或等于前一位的情况时，则判定一次相位脉冲检测周期结束，并输出此时a1的数值，若a1大于等于0.5，则判定主轴增量式圆光栅逆时针旋转了一个分辨率角度，若a1小于等于
‑
0.5，则判定主轴增量式圆光栅顺时针旋转了一个分辨率角度，若a1在
‑
0.25
‑
0.25之间，则判定主轴增量式圆光栅没有旋转；当步骤s62中从轴脉冲信号次序编号出现后一位小于或等于前一位的情况时，则判定一次相位脉冲检测周期结束，并输出此时a2的数值，若a2大于等于0.5，则判定从轴增量式圆光栅顺时针旋转了一个分辨率角度，若a2小于等于
‑
0.5，则判定从轴增量式圆光栅逆时针旋转了一个分辨率角度，若a2在
‑
0.25
‑
0.25之间，则判定从轴增量式圆光栅没有旋转，执行步骤s73；
29.s73，设定主轴相位偏角计数变量b1，如果主轴增量式圆光栅逆时针旋转了一个分辨率角度，则对b1加1，如果主轴增量式圆光栅顺时针旋转了一个分辨率角度，则对b1减1，定时检测循环结束，输出b1并将a1清零；设定从轴相位偏角计数变量b2，如果从轴增量式圆光栅顺时针旋转了一个分辨率角度，则对b2加1，如果从轴增量式圆光栅逆时针旋转了一个分辨率角度，则对b2减1，定时检测循环结束，输出b2并将a2清零，执行步骤s74；
30.s74，根据b2以及b1计算双轴精密离心机从轴相对于主轴的相位偏差β：β＝(b2‑
b1)α。
31.进一步的，所述双轴精密离心机从轴相对于主轴的相位偏差β的计算公式为：β＝(b2‑
b1)α，式中，α为增量式圆光栅的一个分辨率角度。
32.本发明的有益效果是：
33.1.本发明通过高频脉冲信号采集卡所采集的主轴和从轴脉冲信号，设计脉冲计数、相位偏差计算实现了主从轴相位偏差的高精度计算。相比于现有技术，在较低硬件成本和硬件数量的前提下，实现了当高频脉冲信号出现脉冲信号丢失和质量降低时，也可准确的计算出双轴相位差，最终使离心机高转速条件下的双轴相位差测量精度达到了角秒级。
34.2.本发明通过fpga芯片，并搭配高频脉冲信号采集卡和高频脉冲信号发送卡为核心的双轴精密离心机相位高频脉冲信号的同步采集、测量系统。实现了双轴高频脉冲信号的同步高精度测量，解决了现有货架产品因计算频率较低而达不到双轴相位实时测量并计算双轴间相位差的时间同步性问题。
附图说明
35.图1为本发明的相位同步测量方法流程示意图；
36.图2为本发明的脉冲计数和相位偏差计算方法流程；
37.图3为本发明的测量系统结构示意图；
38.图4为本发明的脉冲信号a\b相示意图。
具体实施方式
39.下面结合本发明的附图1
‑
4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施。
40.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“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发明，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发明的限制。
41.具体实施方式：
42.一种双轴精密离心机相位同步测量系统，包括工控机、实时控制系统、主轴伺服驱动器、主轴电机、主轴绝对式圆光栅、主轴增量式圆光栅、从轴伺服驱动器、从轴电机、从轴绝对式圆光栅、从轴增量式圆光栅。
43.所述工控机作为上位机，用于运行人机交互界面，执行实验操作和流程管理。
44.所述实时控制系统采用fpga芯片为运算核心，并配合高频脉冲信号采集卡实现对精密离心机主轴和从轴脉冲信号的实时采集，高频脉冲信号发送卡23用于生成从轴电机运动控制所需的步进运动脉冲信号。
45.所述主轴电机用于精密离心机主轴转动，所述从轴电机用于带动安置于精密离心机主臂末端的从轴转动，主轴转动轴线与从轴转动轴线平行，主轴与从轴的旋转方向相反，角速率相等。
46.所述主轴绝对式圆盘光栅5用于获取并反馈主轴的转速和位置信息，所述主轴增量式圆光栅6用于获取并反馈主轴的脉冲信号。
47.所述从轴绝对式圆盘光栅9用于获取并反馈从轴的转速和位置信号，所述从轴增量式圆光栅6用于获取并反馈从轴的脉冲信号。
48.所述主轴伺服驱动器3用于接收工控机1转速指令和主轴绝对式圆光栅5的转速和位置反馈，并驱动主轴电机4转动。
49.所述从轴伺服驱动器7用于接收实时控制系统2的步进运动脉冲信号和从轴绝对式圆光栅9的转速和位置反馈，并驱动从轴电机8转动。
50.如图3所示，一种双轴精密离心机相位同步测量方法，采用主从同步测量与相位偏差实时控制策略相结合的技术路线，包括以下步骤：
51.a1:由上位机输入转速指令，主轴伺服驱动器采用转速
‑
电流双层闭环结构进行主轴电机的稳态转速伺服控制，主轴增量式圆光栅生成主轴脉冲信号，并上传至实时控制系统的高频脉冲信号采集卡以实现对主轴相位信号的实时采集；
52.a2：实时控制系统通过高频脉冲信号发送卡将主轴脉冲指令发送至从轴伺服驱动器，从轴伺服驱动器以相位
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转速
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力矩三层闭环结构控制从轴电机转速，从而实现主轴电机和从轴电机的同步运动控制；
53.a3：实时控制系统的高频脉冲信号采集卡同步采集主轴增量式圆光栅和从轴增量式圆光栅反馈的主轴和从轴脉冲信号，基于fpga编程对两轴的脉冲信号进行脉冲计数，并
计算双轴间的相位偏差；
54.a4：将从轴电机步进运动脉冲信号与所求得相位偏差进行求和运算，并将求和运算得到新的步进运动脉冲信号通过高频脉冲信号发送卡发送至从轴伺服驱动器，以控制从轴电机运动。
55.上述a3步详细说明：
56.1、上述a3步是通过对两路脉冲信号a\b相的高低电平检测以实现脉冲计数，但高频脉冲输入时可能会发生脉冲捕获丢失的问题，可进一步通过高频脉冲信号采集卡测量相位脉冲信号z相的上升沿，判定两次相位脉冲信号z相上升沿之间的主轴和从轴转过的角度是否等于增量式圆光栅每圈输出的相位脉冲信号a\b相的个数，如不相等，需要对整圈脉冲计数累积结果进行补减。
57.2、如图4所示，上述a3步脉冲计数和相位偏差计算的算法步骤如下：
58.1)、在fpga程序中设置一个定时检测循环，对主轴和从轴脉冲信号a\b相的高低电平进行不间断检测，并使用反馈节点检测脉冲信号的a\b相的上升沿和下降沿；
59.2)、将脉冲信号a相上升沿定义为一次脉冲检测周期的起点；
60.3)、脉冲测序：
61.主轴：假设主轴设定旋转方向为逆时针，对主轴脉冲信号a相上升沿、脉冲信号b相上升沿、脉冲信号a相下降沿、脉冲信号b相下降沿分别编号0、1、2、3，随着脉冲信号测量过程的推进，该次序编号将以循环方式递进。
62.从轴：假设从轴设定旋转方向为顺时针，对从轴脉冲信号a相上升沿、脉冲信号b相下降沿、脉冲信号a相下降沿、脉冲信号b相上升沿分别编号0、1、2、3，随着脉冲信号测量过程的推进，该次序编号将以循环方式递进。
63.4)、脉冲计数：
64.主轴：设置主轴步进运动加权值变量a1。根据主轴脉冲信号a\b相上升沿和下降沿位置对应的脉冲信号电平对圆光栅旋转方向进行判定，将逆时针方向定义为正值，将顺时针方向定义为负值，检测到逆时针方向即对a1加0.25，检测到顺时针方向即对a1减0.25；
65.从轴：设置从轴步进运动加权值变量a2。根据从轴脉冲信号a\b相上升沿和下降沿位置对应的脉冲信号电平对圆光栅旋转方向进行判定，将顺时针方向定义为正值，将逆时针方向定义为负值，检测到顺时针方向即对a2加0.25，检测到逆时针方向即对a2减0.25；
66.5)、计数表决：
67.主轴：当第3步实时检测的主轴脉冲信号次序编号出现后一位小于或等于前一位的情况时，则判定一次相位脉冲检测周期结束，并输出此时a1的数值，若a1大于等于0.5，则判定主轴增量式圆光栅逆时针旋转了一个分辨率角度，若a1小于等于
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0.5，则判定主轴增量式圆光栅顺时针旋转了一个分辨率角度，若a1在
‑
0.25
‑
0.25之间，则判定主轴增量式圆光栅没有旋转。
68.从轴：当第3步实时检测的从轴脉冲信号次序编号出现后一位小于或等于前一位的情况时，则判定一次相位脉冲检测周期结束，并输出此时a2的数值，若a2大于等于0.5，则判定从轴增量式圆光栅顺时针旋转了一个分辨率角度，若a2小于等于
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0.5，则判定从轴增量式圆光栅逆时针旋转了一个分辨率角度，若a2在
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0.25
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0.25之间，则判定从轴增量式圆光栅没有旋转。
69.6)、偏角计数：
70.主轴：设置主轴相位偏角计数变量b1，当第5步判定结果为主轴增量式圆光栅逆时针旋转了一个分辨率角度，则对b1加1，当第5步判定结果为主轴增量式圆光栅顺时针旋转了一个分辨率角度，则对b1减1。定时检测循环结束，输出b1并将a1清零。
71.从轴：设置从轴相位偏角计数变量b2，当第5步判定结果为从轴增量式圆光栅顺时针旋转了一个分辨率角度，则对b2加1，当第5步判定结果为从轴增量式圆光栅逆时针旋转了一个分辨率角度，则对b2减1。定时检测循环结束，输出b2并将a2清零。
72.7)、设所选增量式圆光栅一个分辨率角度为α，则双轴精密离心机从轴相对于主轴的相位偏差：β＝(b2‑
b1)α。
73.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。