高精度角度传感器自动标定系统
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
收稿日期：2005 - 10 - 19 收修改稿日期：2006 - 04 - 18
圆光栅尽量靠近传感器支架，放 置 在 主 轴 前 轴 承 附 近。 为 保 证 系 统 精 度，模 拟 测 量 目 标 和 整 个 轴 系 都 固 定 在 高 精 度 水 平 板 上 ，并 保 持 它 们 之 间 的 垂 直 度 良 好 。
曲轴转速 / （r·min - 1）
1 500 1 667 2 101 2 500 2 606 2 890 2 973
提前角 / （º）
22 . 5 23 . 5 26 29 . 6 30 . 8 30 . 9 31 . 1
═══════════════════
表 3 发动机转速与点火提前角测量数据对比
取τi = Ta = 3 ms，以消除开环函数中的大惯性环节，电流环 开环传递函数为
Wi
=
W ACRR（a Ta s
k sβ + 1）（ Ts s
+
1）=
KI （s T0 s +
1）
（2）
式中：K I =
ki R
k sβ；T aτi
Σ
i
=
Fra Baidu bibliotek
0
.1
ms；β = 1。
取 K I TΣ i≈0 . 5，以保证系统稳定，得到
2006 年 第8期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor
2006 No . 8
高精度角度传感器自动标定系统
陈书剑，徐 峰，褚 渊
（清华大学 精密仪器系，北京 100084）
摘要：采用直流力矩电机分度，同步采集系统进行数据采集，对高精度两路关联角度传感器自动标定。为 了 实 现 秒 级
Abstract：An auto angle-differentiated controlling device and data synchronized acquisition system for demarcating of a high accuracy angular sensor system are developed . The controlling system is a DC servo system using a rotating grating measuring system monitor the angle position，which the precision of the controlling angle is 0 . 2" within the measuring range of ± 3º after error correction . Two signals of the sensor system can be synchronized sampled through the data acquisition system . Using virtual instrument technology，it can be done automatically that the measuring and data processing and the errors of manual operation will be avoided，so improved the efficiency . Key words：angle-differentiated；virtual instrument technology；synchronized acquisition system
由电机驱动主轴发生角度，在 轴 的 输 出 端 安 装 相 应 的 传 感 器支架，固定传感器，实现对被测 量 物 体 的 相 对 转 动，模 拟 角 度 测量环境。电机放 置 在 靠 近 轴 承 的 位 置，直 接 套 接 在 主 轴 上， 减小工作中主轴可能的变形。使用推力轴承 防 止 轴 向 窜 动。
图 1 标定系统原理框图
1— 主 轴 ；2— 单 列 向 心 推 力 轴 承 ；3— 力 矩 电 机 ；4— 圆 光 栅 ； 5— 读 数 头 ；6— 传 感 器 支 架 ；7— 模 拟 测 量 目 标
图 2 标定装置布局图 2.1 闭环系统的设计 2.1.1 数字模型
速度调节器（ASR）和 电 流 调 节 器（ ACR）串 级 连 接，再 由 光 栅尺测量系统完成位置环闭环。图 3 为三环控制系统动态结 构图。采用速度、电 流 双 闭 环 系 统 能 够 提 高 系 统 抗 干 扰 能 力， 有利于保证控 制 精 度。 将 速 度、电 流 环 设 计 为 Ⅰ 型 系 统，位 置
W
=
W
APR（s
T
1
Σ
/α s+
p
1）
（6）
按照典型Ⅱ 型系统 的 参 数 选 择 方 法［4］，取
h
= τp $Σ p
= 10
TΣp
= 0 . 0524 s ，得到
kp
（ =
h 2
+ 1）α hTΣ p
=
52
.
图 5 系统精度检测示意图 试验发现在测量范围内，光 栅 脉 冲 数 和 对 应 角 度 为 周 期 性 误差。利用软件将 ± 3º范围内的角度脉冲数进行了非线性拟 合
ki
=
Ka Ra 2 k sβTΣ i
=
36 . 2
略 去 小 时 间 常 数，电 流 环 闭 环 传 递 函 数 可 简 化 为 一 个 积 分 环
节。
2.1.2 速度环的设计 速 度 调 节 器 采 用 比 例 校 正 ，传 递 函 数 为
W ASR = k n 式中 kn 为速度调节器的比例系数。
标定用角度发生 转 置 是 在 低 转 速、低 负 载、高 精 度 状 态 下 运行的。为了减小传动部分机械 误 差，角 度 传 动 采 用 直 流 电 机 直接驱动主轴运动的方式，进 行 三 环 闭 环 控 制。速 度 环 和 电 流 环采用模拟闭环。电 流 环 采 用 LEM 霍 尔 电 流 传 感 器，精 度 高， 线性度好。速度反馈使用适合低速环境的 F/ V 转换独立电路 模块。位置环利用圆光栅测量系 统 进 行 位 置 反 馈，实 现 数 字 闭 环，经过细分的圆光栅信号最 小 分 辨 率 为 0 . 2"。 使 用 高 精 度 的 同步采集卡完成采集任务。 2 角度控制单元的设计
0 引言 高精度的角度测量在工业、科 研 和 国 防 等 各 个 领 域 都 有 着
广泛的应用。在具有特殊应用 背 景 的 精 密 测 控 系 统 中［1 - 2］，需 要利用两组传感器的联合信号，对静态角度进行测量，在 ± 3º范 围内，角度分辨率 优 于 0 . 3"。 为 了 配 合 传 感 器 的 研 制，实 现 高 效率的准确标定，需要研制相 应 的 自 动 标 定 系 统。传 统 机 械 式 分度仪的角度发 生 方 法，在 精 度 和 测 量 范 围 上 不 能 满 足 要 求， 无法实现自动标定［3］。基于工程 设 计 的 方 法，设 计 了 相 应 的 由 直流驱动系统实现的低速高精 度 角 度 发 生 装 置，同 时 配 以 两 路 同步信号采集系统。 1 系统总体方案
角度的自动标定，采用了闭环控制系统和角度误差补偿，在 ± 3º范围内，控制精度 可 达 到 0 . 2"。 利 用 虚 拟 仪 器 技 术 整 合 数
据 采 集 和 控 制 系 统 ，使 得 标 定 高 效 方 便 。
关 键 词 ：自 动 标 定 ；角 度 测 量 ；虚 拟 仪 器 ；角 度 分 度
统和元征 X431 的测试值相比较，对比结 果 如 表 3。 根 据 表 2 数
据绘制了该车的曲轴转速与提前角关系曲线，如图 7。
表 2 蓝鸟汽油发动机曲轴转速与提前角测量数据
曲轴转速 / （r·min - 1）
806 869 904 920 972 1 147 1 303
提前角 / （º）
16 5 . 84 3 . 45 3 . 88 3 . 35 15 . 6 21 . 2
Δt = ΔT + Δλ = 0 . 0017% + 2 . 01% = 2 . 0117%
（3）
Δt / T = ΔT + Δt = 0 . 0017% + 2 . 0117% ≈2 . 013% （4）
4 整车检测数据
利用该系统对风神蓝鸟 2 . 0iSLA 整车提前角 和 转 速 进 行 了
测试，数据如表 2 所示。同时与博世（Bosch）发 动 机 综 合 测 试 系
电流调节器采用 PI 校正，其传递函数为
W ACR
=
k
i
τi s + τi s
1
（1）
式中：k i 为电流调节器 比 例 系 数；τi 为 电 流 调 节 器 超 前 时 间 常 数。
标定是工作在阶跃位置输入 的 状 态 下，并 加 入 了 限 速 保 护。 图 4 为实际标定台角度正向阶跃 1'时的响应曲线。通过大 量 的 试 验可以得到结论，角度 控 制 系 统 超 调 量 在 15 % 以 内，闭 环 无 静 差，并稳定在 ± 1 个脉冲。
速度环开环传递函数为
（3）
Wv
=
W
ASR
C
e
T
m
αRa （s T
/β Σv s
+
1）
（4）
与电流环的参数设计类似，带入 TΣv = 1 . 2 ms，α = 1，可以得到：
kn
=
Ce Tm 2αβR a TΣ v
=
41 . 4
略 去 小 时 间 常 数 ，速 度 闭 环 传 递 函 数 可 简 化 为 一 个 积 分 环 节 。
16
Instrument Technique and Sensor
环设计为Ⅱ型系统。设计的原则 是 从 内 到 外，按 照 截 止 频 率 由 高到低，不断消去大惯性环节。
Aug . 2006
2.1.2 电流环的设计
图 3 三环控制系统动态结构图 利用 Matlab，可以仿真响应曲线，调整理论数据。实 际 角 度
中 图 分 图 号 ：TP273
文 献 标 识 码 ：A
文章编号：1002 - 1841（2006）08 - 0015 - 02
Auto Demarcating System for High Accuracy Angular Sensor
CHEN Shu-jian，XU Feng，CHU Yuan （Department of Precision Instruments and Mechanology，Tsinghua University，Beijing 100084，China）
（下转第 19 页）
第8期
李 震 等 ：虚 拟 仪 器 技 术 在 点 火 提 前 角 测 量 中 的 应 用
19
3.2 系统总误差
系统总误差由 t 和 T 的误差决定。其中 T 的 相 对 误 差 ΔT
经测试为 0 . 0017% ；t 的相对误差由调理模块 和 测 量 误 差 产 生。
根据串联系统误差合成公式，系统的总体误差 Δt / T 为
2.1.3 位置环的设计 位置调节器采用 PI 校正，传递函数为
W APR
=
k
p
τp s + τp s
1
（5）
式中：kp 为位置调节器比例系数；τp 为电流调节器超前时间常数。
位置环开环传递函数为
图 4 实际正向分度 1'的动态响应曲线 3 数据采集系统的设计 3.1 采集系统的硬件
被标定传感器为 一 组 两 个 传 感 器，工 作 中，传 感 器 系 统 会 同步输入到专用解算电路，反 映 角 度 信 息。对 传 感 器 进 行 的 标 定，需要利用软件对传感器系 统 进 行 同 步 采 样 解 算。 根 据 测 量 要求，测角范围为 ± 3º，分 辨 率 为 0 . 2"，则 分 辨 倍 数 为 3 × 60 × 60 / 0 . 2 = 54000，所以要求数 据 采 集 卡 的 分 辨 率 优 于 16bit，216 = 65536，才能满足精度要 求。 系 统 最 终 选 用 24 位 四 通 道 同 步 采 集卡［5］，最 大 采 样 速 率 102 . 4 kS / s，可 以 根 据 需 要，通 过 软 件 进 行调节。 3.2 校正与误差补偿
整个标定系统是基于光栅信号计数进行分度定位的。系 统的机械安装 和 光 栅 细 分 都 会 带 来 一 些 误 差。为 了 消 除 标 定 的误差，达到精 确 分 度 的 目 的，需 要 对 标 定 系 统 进 行 补 偿。 中 国计 量 院 利 用 HR 型 光 电 自 准 直 仪 对 系 统 进 行 标 定，准 直 仪 的 不确定度为 0 . 05"，标定方法如图 5。
圆光栅尽量靠近传感器支架，放 置 在 主 轴 前 轴 承 附 近。 为 保 证 系 统 精 度，模 拟 测 量 目 标 和 整 个 轴 系 都 固 定 在 高 精 度 水 平 板 上 ，并 保 持 它 们 之 间 的 垂 直 度 良 好 。
曲轴转速 / （r·min - 1）
1 500 1 667 2 101 2 500 2 606 2 890 2 973
提前角 / （º）
22 . 5 23 . 5 26 29 . 6 30 . 8 30 . 9 31 . 1
═══════════════════
表 3 发动机转速与点火提前角测量数据对比
取τi = Ta = 3 ms，以消除开环函数中的大惯性环节，电流环 开环传递函数为
Wi
=
W ACRR（a Ta s
k sβ + 1）（ Ts s
+
1）=
KI （s T0 s +
1）
（2）
式中：K I =
ki R
k sβ；T aτi
Σ
i
=
Fra Baidu bibliotek
0
.1
ms；β = 1。
取 K I TΣ i≈0 . 5，以保证系统稳定，得到
2006 年 第8期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor
2006 No . 8
高精度角度传感器自动标定系统
陈书剑，徐 峰，褚 渊
（清华大学 精密仪器系，北京 100084）
摘要：采用直流力矩电机分度，同步采集系统进行数据采集，对高精度两路关联角度传感器自动标定。为 了 实 现 秒 级
Abstract：An auto angle-differentiated controlling device and data synchronized acquisition system for demarcating of a high accuracy angular sensor system are developed . The controlling system is a DC servo system using a rotating grating measuring system monitor the angle position，which the precision of the controlling angle is 0 . 2" within the measuring range of ± 3º after error correction . Two signals of the sensor system can be synchronized sampled through the data acquisition system . Using virtual instrument technology，it can be done automatically that the measuring and data processing and the errors of manual operation will be avoided，so improved the efficiency . Key words：angle-differentiated；virtual instrument technology；synchronized acquisition system
由电机驱动主轴发生角度，在 轴 的 输 出 端 安 装 相 应 的 传 感 器支架，固定传感器，实现对被测 量 物 体 的 相 对 转 动，模 拟 角 度 测量环境。电机放 置 在 靠 近 轴 承 的 位 置，直 接 套 接 在 主 轴 上， 减小工作中主轴可能的变形。使用推力轴承 防 止 轴 向 窜 动。
图 1 标定系统原理框图
1— 主 轴 ；2— 单 列 向 心 推 力 轴 承 ；3— 力 矩 电 机 ；4— 圆 光 栅 ； 5— 读 数 头 ；6— 传 感 器 支 架 ；7— 模 拟 测 量 目 标
图 2 标定装置布局图 2.1 闭环系统的设计 2.1.1 数字模型
速度调节器（ASR）和 电 流 调 节 器（ ACR）串 级 连 接，再 由 光 栅尺测量系统完成位置环闭环。图 3 为三环控制系统动态结 构图。采用速度、电 流 双 闭 环 系 统 能 够 提 高 系 统 抗 干 扰 能 力， 有利于保证控 制 精 度。 将 速 度、电 流 环 设 计 为 Ⅰ 型 系 统，位 置
W
=
W
APR（s
T
1
Σ
/α s+
p
1）
（6）
按照典型Ⅱ 型系统 的 参 数 选 择 方 法［4］，取
h
= τp $Σ p
= 10
TΣp
= 0 . 0524 s ，得到
kp
（ =
h 2
+ 1）α hTΣ p
=
52
.
图 5 系统精度检测示意图 试验发现在测量范围内，光 栅 脉 冲 数 和 对 应 角 度 为 周 期 性 误差。利用软件将 ± 3º范围内的角度脉冲数进行了非线性拟 合
ki
=
Ka Ra 2 k sβTΣ i
=
36 . 2
略 去 小 时 间 常 数，电 流 环 闭 环 传 递 函 数 可 简 化 为 一 个 积 分 环
节。
2.1.2 速度环的设计 速 度 调 节 器 采 用 比 例 校 正 ，传 递 函 数 为
W ASR = k n 式中 kn 为速度调节器的比例系数。
标定用角度发生 转 置 是 在 低 转 速、低 负 载、高 精 度 状 态 下 运行的。为了减小传动部分机械 误 差，角 度 传 动 采 用 直 流 电 机 直接驱动主轴运动的方式，进 行 三 环 闭 环 控 制。速 度 环 和 电 流 环采用模拟闭环。电 流 环 采 用 LEM 霍 尔 电 流 传 感 器，精 度 高， 线性度好。速度反馈使用适合低速环境的 F/ V 转换独立电路 模块。位置环利用圆光栅测量系 统 进 行 位 置 反 馈，实 现 数 字 闭 环，经过细分的圆光栅信号最 小 分 辨 率 为 0 . 2"。 使 用 高 精 度 的 同步采集卡完成采集任务。 2 角度控制单元的设计
0 引言 高精度的角度测量在工业、科 研 和 国 防 等 各 个 领 域 都 有 着
广泛的应用。在具有特殊应用 背 景 的 精 密 测 控 系 统 中［1 - 2］，需 要利用两组传感器的联合信号，对静态角度进行测量，在 ± 3º范 围内，角度分辨率 优 于 0 . 3"。 为 了 配 合 传 感 器 的 研 制，实 现 高 效率的准确标定，需要研制相 应 的 自 动 标 定 系 统。传 统 机 械 式 分度仪的角度发 生 方 法，在 精 度 和 测 量 范 围 上 不 能 满 足 要 求， 无法实现自动标定［3］。基于工程 设 计 的 方 法，设 计 了 相 应 的 由 直流驱动系统实现的低速高精 度 角 度 发 生 装 置，同 时 配 以 两 路 同步信号采集系统。 1 系统总体方案
角度的自动标定，采用了闭环控制系统和角度误差补偿，在 ± 3º范围内，控制精度 可 达 到 0 . 2"。 利 用 虚 拟 仪 器 技 术 整 合 数
据 采 集 和 控 制 系 统 ，使 得 标 定 高 效 方 便 。
关 键 词 ：自 动 标 定 ；角 度 测 量 ；虚 拟 仪 器 ；角 度 分 度
统和元征 X431 的测试值相比较，对比结 果 如 表 3。 根 据 表 2 数
据绘制了该车的曲轴转速与提前角关系曲线，如图 7。
表 2 蓝鸟汽油发动机曲轴转速与提前角测量数据
曲轴转速 / （r·min - 1）
806 869 904 920 972 1 147 1 303
提前角 / （º）
16 5 . 84 3 . 45 3 . 88 3 . 35 15 . 6 21 . 2
Δt = ΔT + Δλ = 0 . 0017% + 2 . 01% = 2 . 0117%
（3）
Δt / T = ΔT + Δt = 0 . 0017% + 2 . 0117% ≈2 . 013% （4）
4 整车检测数据
利用该系统对风神蓝鸟 2 . 0iSLA 整车提前角 和 转 速 进 行 了
测试，数据如表 2 所示。同时与博世（Bosch）发 动 机 综 合 测 试 系
电流调节器采用 PI 校正，其传递函数为
W ACR
=
k
i
τi s + τi s
1
（1）
式中：k i 为电流调节器 比 例 系 数；τi 为 电 流 调 节 器 超 前 时 间 常 数。
标定是工作在阶跃位置输入 的 状 态 下，并 加 入 了 限 速 保 护。 图 4 为实际标定台角度正向阶跃 1'时的响应曲线。通过大 量 的 试 验可以得到结论，角度 控 制 系 统 超 调 量 在 15 % 以 内，闭 环 无 静 差，并稳定在 ± 1 个脉冲。
速度环开环传递函数为
（3）
Wv
=
W
ASR
C
e
T
m
αRa （s T
/β Σv s
+
1）
（4）
与电流环的参数设计类似，带入 TΣv = 1 . 2 ms，α = 1，可以得到：
kn
=
Ce Tm 2αβR a TΣ v
=
41 . 4
略 去 小 时 间 常 数 ，速 度 闭 环 传 递 函 数 可 简 化 为 一 个 积 分 环 节 。
16
Instrument Technique and Sensor
环设计为Ⅱ型系统。设计的原则 是 从 内 到 外，按 照 截 止 频 率 由 高到低，不断消去大惯性环节。
Aug . 2006
2.1.2 电流环的设计
图 3 三环控制系统动态结构图 利用 Matlab，可以仿真响应曲线，调整理论数据。实 际 角 度
中 图 分 图 号 ：TP273
文 献 标 识 码 ：A
文章编号：1002 - 1841（2006）08 - 0015 - 02
Auto Demarcating System for High Accuracy Angular Sensor
CHEN Shu-jian，XU Feng，CHU Yuan （Department of Precision Instruments and Mechanology，Tsinghua University，Beijing 100084，China）
（下转第 19 页）
第8期
李 震 等 ：虚 拟 仪 器 技 术 在 点 火 提 前 角 测 量 中 的 应 用
19
3.2 系统总误差
系统总误差由 t 和 T 的误差决定。其中 T 的 相 对 误 差 ΔT
经测试为 0 . 0017% ；t 的相对误差由调理模块 和 测 量 误 差 产 生。
根据串联系统误差合成公式，系统的总体误差 Δt / T 为
2.1.3 位置环的设计 位置调节器采用 PI 校正，传递函数为
W APR
=
k
p
τp s + τp s
1
（5）
式中：kp 为位置调节器比例系数；τp 为电流调节器超前时间常数。
位置环开环传递函数为
图 4 实际正向分度 1'的动态响应曲线 3 数据采集系统的设计 3.1 采集系统的硬件
被标定传感器为 一 组 两 个 传 感 器，工 作 中，传 感 器 系 统 会 同步输入到专用解算电路，反 映 角 度 信 息。对 传 感 器 进 行 的 标 定，需要利用软件对传感器系 统 进 行 同 步 采 样 解 算。 根 据 测 量 要求，测角范围为 ± 3º，分 辨 率 为 0 . 2"，则 分 辨 倍 数 为 3 × 60 × 60 / 0 . 2 = 54000，所以要求数 据 采 集 卡 的 分 辨 率 优 于 16bit，216 = 65536，才能满足精度要 求。 系 统 最 终 选 用 24 位 四 通 道 同 步 采 集卡［5］，最 大 采 样 速 率 102 . 4 kS / s，可 以 根 据 需 要，通 过 软 件 进 行调节。 3.2 校正与误差补偿
整个标定系统是基于光栅信号计数进行分度定位的。系 统的机械安装 和 光 栅 细 分 都 会 带 来 一 些 误 差。为 了 消 除 标 定 的误差，达到精 确 分 度 的 目 的，需 要 对 标 定 系 统 进 行 补 偿。 中 国计 量 院 利 用 HR 型 光 电 自 准 直 仪 对 系 统 进 行 标 定，准 直 仪 的 不确定度为 0 . 05"，标定方法如图 5。