一种基于速率转台的旋转变压器测角误差的标定补偿方法

摘要

一种基于速率转台的旋转变压器测角误差的标定补偿方法，该标定方法通过数字标定系统的动态标定试验，得到旋转变压器的动态连续输出，标定出旋转变压器的周期误差项系数；通过静态标定试验，标定出旋转变压器的一次项和零次项误差，动静态试验相结合完成旋转变压器的精确误差标定，而后建立模型补偿标定出的旋变误差。本发明结合了动态标定和静态标定两种方法的优点，不受测角器件精度的限制，简单易行，所建立旋转变压器的误差补偿模型极大地提高旋转变压器的测角精度。本发明同样适用于其他各种轴角传感器的标定与补偿，能大幅度提高其测角精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种旋转变压器测角误差的标定与补偿方法，也适用于标定并补偿其他各种轴角传感器，并能大幅度提高其测角精度。

背景技术

旋转变压器作为一种轴角传感器，应用于各个领域，特别是对测角精度要求比较高的场合。但是由于受到制作工艺的限制，存在一系列的问题，旋转变压器定子和转子安装偏心及其安装上的相对倾斜，以及轴本身的刚度低，致使轴系几何轴线微小弯曲将产生转子和定子盘片的偏心及相对倾斜，并且旋转变压器内部的绕组谐波，磁路饱和，交轴磁场等因素也会产生各种误差项，要想通过提高生产工艺和安装精度来提高整体的测角精度，需要投入大量的时间和物力，生产成本也将随之大幅度提高，因此从生产工艺和安装精度上来提高旋转变压器的测角精度并不是一种有效的解决方法。

旋转变压器的误差包含确定性误差和随机误差两部分，其中确定性误差即系统误差约占总误差的90％左右，可以通过建立旋转变压器的确定性误差的数学模型，并通过试验的方法来确定模型中的各项误差系数。从而可以精确地补偿旋转变压器的测角误差。原有的标定方法采用静态位置标定试验，可以得到旋转变压器的绝对误差，但是试验数据只能是有限个采样点，间断不连续，不能描述旋转变压器的短周期变化规律，标定结果并不理想。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于速率转台采用动静态试验混合标定的旋转变压器测角误差的标定补偿方法，该方法结合了动态标定和静态标定两种方法的优点，不受测角器件精度的限制，简单易行。所建立旋转变压器的误差补偿模型极大地提高旋转变压器的测角精度。

本发明的技术解决方案为：一种基于速率转台的旋转变压器测角误差的标定补偿方法，

(1)建立旋转变压器的整体误差模型，整体误差模型包括与周期性有关的误差模型和与趋势性有关的误差模型，其中与周期性有关的误差模型包括长周期误差项和短周期误差项，与趋势性有关的误差模型包含旋转变压器与角度相关的零次项和一次项误差；

(2)利用速率转台进行旋转变压器的动态标定试验，得到旋转变压器的动态连续输出；

(3)利用速率转台进行旋转变压器的静态标定试验，得到旋转变压器的输出数据；

(4)根据步骤(2)动态标定试验得到的数据，采用最小二乘拟合方法得到旋转变压器与拟合直线的差值，再采用傅立叶分析的方法标定旋转变压器，得到与周期性有关的误差模型中的长周期误差项和短周期误差项；根据步骤(3)静态标定试验得到的数据，标定旋转变压器，得到与趋势性有关的误差模型中与角度相关的零次项和一次项误差；

(5)根据标定结果建立旋转变压器的误差补偿模型，并检验模型的补偿精度。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明抛开了对器件安装制造的苛刻要求，从整体上把握系统误差，通过系统级的测量和标定同样可以达到相同甚至更高的精度，而且本发明结合了动态标定和静态标定两种方法的优点，可以标定出旋转变压器的周期性误差和趋势性误差，实现旋转变压器的精确标定，在此基础上建立旋转变压器的误差补偿模型，能极大地提高旋转变压器的测角精度。

附图说明

图1为本发明的标定流程图；

图2为本发明的标定系统示意图；

图3为本发明的动态标定实例结果与静态标定实例结果；

图4为实施发明后的实例标定模型，以及系统残余测角误差图。

具体实施方式

如图1所示，本发明首先设计旋转变压器的数字标定系统，然后建立旋转变压器的整体误差模型，通过数字标定系统的动态标定试验，可以得到旋转变压器的动态连续输出，标定出旋转变压器的周期误差项系数，然后通过静态标定试验，标定出旋转变压器与角度相关的一次项和零次项误差，具体步骤如下：

1、设计一套旋转变压器的数字标定系统，如图2所示，该数字标定系统由速率转台、转台速率位置控制模块、旋转变压器的信号输出调理与数字转换模块组成，由转台速率位置控制模块设置转台的运行方式，设置转台角度、速率以及加速度，转台速率位置控制模块采用闭环方式精确控制转台按照给定参数转动，旋转变压器的信号输出调理与数字转换模块将旋转变压器信号转换成数字信号输入计算机，保存采集数据，从而实现通过速率转台的高精度的速率和位置信息，标定旋转变压器的角度输出的目的。

图2中的速率转台作为重要的标定设备，其位置精度和速率精度直接决定了整个标定过程的精度水平，本发明实施例采用的是北京航空精密机械研究所生产的920型单轴速率位置转台，其位置精度可达到±3″，速率精度可以达到1×10^-2(ω＜1°/s)(1°平均)。旋转变压器数字转换模块为连云港中船重工716所的产品，产品型号为19XZ2413-S32，分辨率为19位，精度±10″，将旋转变压器数字转换模块作为核心元件制成ISA板卡插入工控机主板内，作为旋转变压器信号的数字采集模块。

2、建立旋转变压器的整体误差模型，整体误差模型包括与周期性有关的误差模型和与趋势性有关的误差模型。其中周期性有关的误差模型中包括长周期误差项和短周期误差项，其中长周期误差项与旋转变压器的安装误差密切相关，具体表现为360°的零次谐波和一次、二次谐波，短周期误差项与旋转变压器的电磁特性密切相关，特别对粗精组合旋转变压器来说，精通道的安装误差以及电磁特性都会引起旋转变压器的短周期误差，假设粗精比为1：N，短周期误差具体表现为306°/N的零次谐波和其偶次谐波；趋势性有关的误差模型包含旋转变压器与角度相关的零次项和一次项误差。

建立旋转变压器的整体误差模型f(x)，包括与周期性有关的模型f₁(x)和与趋势性有关的模型f₂(x)，x表示为差值对应的角度，如下式所示：

f(x)＝f₁(x)+f₂(x)    (1)

利用式(1)按照动静态的标定方法依次标定出周期性模型f₁(x)和趋势性模型f₂(x)，即可求出整体误差模型f(x)。

(1)与周期性有关的模型f₁(x)：

$f_1\left(x\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}(a_k\cos \frac{\mathrm{k\pi x}}{L}+b_k\sin \frac{\mathrm{k\pi x}}{L})---\left(2\right)$

$a_k=\frac{1}{L}\Sigma f_1\left(x\right)·\mathrm{\Delta L}·\cos \frac{\mathrm{k\pi x}}{L}---\left(3\right)$

$b_k=\frac{1}{L}\Sigma f_1\left(x\right)·\mathrm{\Delta L}·\cos \frac{\mathrm{k\pi x}}{L}---\left(4\right)$

其中a_k，b_k分别为傅立叶级数的cos项系数和sin项系数，L＝180，ΔL＝0.015，k为谐波次数，n为计算到的谐波最大次数。

根据动态标定试验得到的0-360度的测试数据，通过傅立叶级数拟合的方法，在程序中选定相应的谐波最大次数n，按照式(3)、(4)，就可以标定出a_k，b_k。

(2)与趋势性有关的模型f₂(x)：

f₂(x)＝ax+b    (5)

其中：a为拟合直线的一次项系数，b为拟合直线的常数项。

根据静态标定试验得到整周期的测试数据，通过最小二乘拟合的方法，按照式(5)，就可以标定出a，b。

3、利用速率转台进行旋转变压器的动态标定试验，将旋转变压器固定在速率转台，通过转台控制模块使转台以一定的角速率0-360°正反旋转，反复进行试验，并记录旋转变压器输出的数据。

具体实施过程为：将旋转变压器紧贴速率转台安装面进行安装，使旋转变压器测量轴与速率转台转轴尽量重合。给速率转台输入指令，按照0.1°/s，0.3°/s，1°/s，5°/s分别进行旋转，0-360°正负重复旋转，旋转变压器的采样周期为50ms，转台的采样周期为10ms，记录旋转变压器和速率转台的输出数据，如图3a。

4、利用速率转台进行旋转变压器的静态标定试验，将旋转变压器固定在速率转台，按一定角度转动到不同位置，记录每个位置的输出数据。

进行静态标定试验时，除了要将旋转变压器紧贴速率转台安装面进行安装，测量轴与速率转台转轴尽量重合之外，还要使将转台水平零位与惯性平台的旋变零位对齐，而后分别按照从0、10、20度开始每次转动30度的方法，测得从0-350度的旋变输出角度值，每个位置记录30组数据并取平均，如图3b。

5、对动态标定试验和静态标定试验的数据进行预处理，利用奇异值滤波或限幅滤波等简单的数字滤波方法去除野值以及明显的干扰噪声，利用处理后的数据对旋转变压器进行标定，求出a_k，b_k，a，b，完成标定。

利用动态标定得到的数据，首先采用最小二乘拟合方法将旋转变压器的周期误差项与转台匀速转动引起的旋转变压器输出分离开来，即将动态标定的数据进行线性拟合，拟合直线为转台匀速转动引起的旋转变压器输出，旋转变压器与拟合直线的差值为旋转变压器的周期误差项，然后采用傅立叶分析的方法得到周期性有关的误差项系数a_k，b_k；利用静态标定数据采用最小二乘拟合方法来标定旋转变压器与角度相关的零次项和一次项误差a，b，这两项趋势性误差是动态标定方法无法得到的。这样，旋转变压器的所有误差项都已基本标定得到。

6、如图4a所建立的标定模型，对旋转变压器的输出信号进行补偿，并检验模型的补偿精度，如图4b的补偿结果所示，旋转变压器的测角精度大大提高。

本发明未详细阐述的技术内容，属于本领域技术人员公知技术。

最后所应说明的是：以上实施实例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，所有的不脱离本发明的精神和范围的修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。