转台测角系统误差实时在线测试及补偿方法

摘要

一种转台测角系统误差实时在线测试及补偿方法。步骤包括测试控制器输出信号使转台系统启动闭环，用示波器监测校正控制器输出信号u(t)、给定转台系统转速，选取在转台系统闭环带宽内，使系统能够复现、跟踪、放大谐波误差信号频段的特定转速10°/sec，20°/sec，30°/sec转动转台、待转台系统速度平稳匀速后，进行控制系统输出信号的谐波误差观察和分析、输出信号的谐波误差观察和分析。本发明的特点是测角系统误差测试和补偿效果一目了然，提高了测试和补偿效率，克服了测角系统误差测试和补偿必须经过外精密基准测试和标定的繁琐过程。并且可靠，时效性高，其补偿调整精度完全满足测角系统实际要求。

说明书

技术领域

本发明涉及惯性导航测试技术，具体说就是一种转台测角系统误 差实时在线测试及补偿方法。

背景技术

转台(包括测试转台、仿真转台、离心机等高精度旋转设备)以 其能提供高精度的空间方位、速度、加速度基准，被主要用于惯性系 统或惯性仪表等精密仪器的精度检验、误差标定、性能测试、仿真研 究中；转台是航空、航天、航海、国防军事等领域不可缺少的重要设 备，因此转台系统精度指标至关重要；转台系统的精度主要取决于测 角系统的精度，而影响测角系统的精度因素很多如机械系统的安装误 差(通常表现为长周期形式)电器系统误差(表现为短周期形式)等， 实际中电器系统误差是引起测角系统误差漂移的主要因素；转台系统 在交付验收、投入使用后如何保证其系统精度的长期稳定可靠是使用 者最关心的问题；为此，通常的做法是定期对转台测角系统精度进行 测试标定，其过程是用高精度的外基准，如齿盘、多面棱镜和自准直 仪等设备，在专业人员操作下逐点测试，通过分析找到谐波误差的形 式、幅度大小，然后离线分析确定调整方案进行补偿调整，之后再进行 测角系统标定测试，观察补偿效果，如果达不到要求还要反复标定测 试几次，直至谐波误差达到要求为止，测试补偿过程繁琐，由于谐波 误差测试和分析与谐波误差的补偿调整是分开进行的，补偿效果不能 直接在线观察，补偿调整费时费力且存在盲目性；由于在使用过程中 不能及时发现测角系统误差，不能确保在检测周期之间测角精度发生 漂移，造成测试精度超差，影响转台系统性能。因此现有转台测角系 统精度测试方法缺乏时效性，不能实时在线进行测角系统精度监测， 缺少一种能在转台系统运行中实时在线监测和补偿测角系统精度的 方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于圆感应同步器的转台测角系统 误差实时在线测试及补偿方法。 本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一：测试控制器输出信号

使转台系统启动闭环，给定转速为零速，在控制系统硬件电路上 选取适当的观测点，用示波器监测校正控制器输出信号u(t)，此时在 示波器上可以看到幅度接近零的直流电平；

步骤二：给定转台系统转速

选取在转台系统闭环带宽内，使系统能够复现、跟踪、放大谐波 误差信号频段的特定转速10°/sec，20°/sec，30°/sec转动转台；待 转台系统速度平稳匀速后，进行控制系统输出信号的谐波误差观察和 分析；

步骤三：输出信号的谐波误差观察和分析

假设当转台以10°/sec速度转动时

1)如果通过示波器能观察到有周期为100ms即10Hz的正弦波形 出现时，说明系统中存在着一次谐波误差；

2)如果此时观察到的是周期为50ms即20Hz的正弦波形的情况， 则表明系统中存在二次谐波误差干扰；

3)如果此时观察到的即有周期为100ms即10Hz的正弦波形，又 有周期为50ms即20Hz的正弦波形的情况，可以断定系统中 存在一次和二次谐波误差干扰；

4)如果通过示波器观察到的只是固定的直流电平，或无规律的电 平波动，或高频测量噪声，则说明系统中不存在谐波误差；

步骤四：谐波误差的补偿

通过步骤三的观察分析，如果发现系统中存在着一次、二次谐波 误差，在保持上述相应恒定转动速度的前提下进行误差调整

1)一次谐波误差的补偿调整

当确定系统中存在有一次谐波误差时，取一路激磁信号，正弦或 余弦(根据调整来确定)与反馈信号，在测角电路板上经电路进行叠 加，通过一边调整电路补偿环节的移相电路和幅值电路参数，一边用 示波器观察控制器输出信号u(t)中谐波误差的变化情况，使其补偿作 用，幅度和相位，恰好与耦合产生的一次谐波误差作用相反，在线动 态观察补偿效果，使一次谐波误差调整到最小程度，从而达到补偿的 目的；

2)二次谐波误差的补偿调整

根据二次谐波误差产生的原理，在线调整激磁电源两相输出信号 的相位差和幅值偏差，达到抵消干扰的程度从而实现误差补偿；

(1)相位差调整

在测角系统感应同步器激磁电源板正、余弦两相相位输出信号电 路上，假定余弦信号跟踪正弦信号相位，以保持两路输出信号的相位 差恒定不变，通过调节余弦电路的相位设置参数，即改变跟踪正弦的 移相环节参数-改变其电位器电阻值，使余弦相位的跟踪设定值发生 改变，由于正、余弦相位回路是各自独立的闭环负反馈控制系统，这 样当其余弦相位设定值改变时，其输出相位随之改变，从而实现两相 输出相位差的变化；

(2)幅值偏差

在测角系统感应同步器激磁电源板正、余弦两相幅值输出信号电 路上，假定余弦信号跟踪正弦信号幅值，以保持两路输出信号的幅值 偏差恒定不变，通过调节余弦电路的幅值设置参数，即改变跟踪正弦 幅值环节的参数-改变其电位器电阻值，使余弦幅值的跟踪设定值发 生改变，由于正、余弦幅值回路是各自独立的闭环负反馈控制系统， 这样当其余弦幅值设定值改变时，其输出幅值随之改变，从而实现两 相输出幅值偏差的变化；

经过相位差和幅值偏差反复调整，在线动态观察u(t)的波动变化， 分析补偿效果。

本发明一种基于圆感应同步器的转台测角系统误差实时在线测 试及补偿方法，建立转台测角系统误差监测的实时性测试和补偿方 法，从而可获得如下主要结果：

1)解决只能依赖于外精密基准来判断和确定转台测角系统误差 漂移或超差的问题。

2)解决转台测角系统误差实时在线监测问题，使测角系统误差 状态可观测，避免因测角系统误差超差问题影响转台性能。

3)解决转台测角系统误差实时在线补偿问题，使补偿过程与效 果可观测，通过在线调整使转台测角系统误差在容许的范围内，确保 转台精度可监控。

本发明是根据转台测角系统精度在线监测的实际需要，结合基于 圆感应同步器转台测角系统特点和闭环控制系统理论知识，提出的一 种测角系统谐波误差的在线测试和补偿方法。该方法是在转台闭环状 态下，运行在特定速率时，通过示波器直接观测转台控制系统校正控 制器输出信号，来获取和发现测角系统谐波误差形式和幅值大小，再 通过调节电路参数，实现对谐波误差的抑制；该方法的特点是测角系 统误差测试和补偿效果一目了然，提高了测试和补偿效率，克服了测 角系统误差测试和补偿必须经过外精密基准测试和标定的繁琐过程。 实践证明该方法适用、方便、可靠，时效性高，其补偿调整精度完全 满足测角系统实际要求。

附图说明

图1为转台闭环控制系统原理框图；

图2为闭环系统增益特性图；

图3为测角板示意图；

图4为激磁电源原理框图；

图5为无谐波干扰时控制器输出信号u波形示意图；

图6为有一次谐波干扰时控制器输出信号u波形示意图；

图7为有二次谐波干扰时控制器输出信号u波形示意图；

图8为有一次和二次谐波干扰时控制器输出信号u波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

基于圆感应同步器的转台测角系统误差实时在线测试及补偿方 法，依据上述闭环系统跟踪特性，通过对控制系统输出信号的测试， 直接观察到闭环回路中的谐波误差信号，经调节测角板电路和激磁电 源板电路参数，实现谐波误差补偿，其在线测试及补偿方法具体实施 步骤如下，测试前准备好一台具有适当带宽的示波器(如TDS1002 60MHz)：

实施例1：结合图1：本发明一种基于圆感应同步器的转台测角 系统误差实时在线测试及补偿方法，步骤如下：

第一步测试控制器输出信号

将示波器上电，调整示波器测试通道CH1的扫描时间间隔为 50ms、幅值间隔为50mv，在控制系统硬件电路上选取控制器与电机 驱动器连接之间适当的观测点测试u(t)，将示波器CH1表笔测试该点， 即监测转台控制器输出信号u(t)，使转台系统启动闭环，给定转速为 零速，此时在示波器上可以看到幅度接近零伏的直流电平。

第二步给定转台系统转速

选取在转台系统闭环带宽内，使系统能够复现、跟踪、放大谐波 误差信号频段的特定转速(10°/sec，20°/sec)转动转台。待转台系 统速度平稳后，进行控制系统输出信号的谐波误差观察和分析。

第三步输出信号的谐波误差观察和分析

假设当转台以10°/sec速度转动时

5)如果通过示波器能观察到有周期为100ms即10Hz的正弦波形 出现时，说明系统中存在着一次谐波误差。

6)如果此时观察到的是周期为50ms即20Hz的正弦波形的情况， 则表明系统中存在二次谐波误差干扰。

7)如果此时观察到的即有周期为100ms即10Hz的正弦波形，又 有周期为50ms即20Hz的正弦波形的情况，可以断定系统中存 在一次和二次谐波误差干扰。

8)如果通过示波器观察到的只是固定的直流电平，或无规律的电 平波动，或高频测量噪声，则说明系统中不存在谐波误差。

第四步谐波误差的补偿

通过第三步的观察分析，如果发现系统中存在着一次、二次谐波 误差，在保持上述相应恒定转动速度的前提下进行误差调整

1)一次谐波误差的补偿调整

当确定系统中存在有一次谐波误差时，在测角板上见图3，取激 磁电源板正、余弦两相中的一相(实际中取那一项需根据调整来确定) 与反馈信号，经电路进行叠加，通过一边调整电路补偿环节的移相电 路和调幅电路参数，一边用示波器观察控制器输出信号u(t)中谐波误 差的变化情况，使其补偿作用(幅度和相位)恰好与耦合产生的一次 谐波误差作用相反，在线动态观察补偿效果，使一次谐波误差调整到 最小程度，从而达到补偿的目的。

2)二次谐波误差的补偿调整

根据二次谐波误差产生的原理，在线调整激磁电源两相输出信 号的相位差和幅值偏差，达到抵消干扰的程度从而实现误差补偿。 激磁电源原理框图见图4

(1)相位差调整

调整过程在激磁电源板上进行，参见激磁电源原理框图见图4， 在测角系统感应同步器激磁电源板正、余弦两相相位输出信号电路 上，通过调节正弦电路鉴相器的相位设置参数，即改变跟踪0度基准 的移相环节参数-改变其电位器电阻值，使正弦相位的跟踪设定值发 生改变；由于正、余弦相位回路是各自独立的闭环负反馈控制系统， 分别锁定在0度基准和90度基准上，这样当其正弦相位设定值改变 时，其输出相位随之改变，从而实现两相输出相位差的变化。

(2)幅值偏差

调整过程在激磁电源板上进行，参见激磁电源原理框图见图4， 在测角系统感应同步器激磁电源板正、余弦两相幅值输出信号电路 上，通过调节跟踪正弦的余弦鉴幅电路的幅值设置参数，即改变跟踪 正弦幅值环节的参数-改变其电位器电阻值，使余弦幅值的跟踪设定 值发生改变，由于正、余弦幅值回路是各自独立的闭环负反馈控制系 统，这样当其余弦幅值设定值改变时，其输出幅值随之改变，从而实 现两相输出幅值偏差的变化。

经过相位差和幅值偏差反复调整，在线动态观察u(t)的波动变化， 分析补偿效果，使二次谐波误差调整到最小程度，从而达到误差补偿 的目的。

实施例2：结合图1：本发明一种基于圆感应同步器的转台测角系 统误差实时在线测试及补偿方法，

1、测角系统谐波误差在线测试原理和方法

圆感应同步器由于其精度高、结构简单、抗干扰能力强，被广泛 用在高精度转台测角系统中作为角度传感器。圆感应同步器采用双相 激磁单相输出鉴相工作方式下，由于信号引线或激磁信号的幅相变化 等原因，会造成在感应同步器节距下测得的角度信号呈现为一次和二 次谐波波动情况，这种波动常称为短周期谐波误差，当转台系统闭环 工作时这种谐波误差将被系统的前置放大器放大，送入到转台伺服控 制系统的反馈回路中，如果转台运行在速率工作方式下，这种谐波误 差，会产生周期性的速率波动，影响转台系统的速率平稳性(主要影 响瞬时特性)，测角系统谐波误差在线测试和补偿原理，也恰好是基 于对这种周期性速率波动的观测而产生。其方法原理分析过程如下：

首先我们假定转台闭环控制系统原理框图如图1。

这里r为给定参考输入，e为偏差信号，D(s)为转台控制系统控制 器传递函数，u(t)为控制器输出信号，N(s)是电机驱动器传递函数， P(s)是控制系统对象传递函数，H(s)是感应同步器和前置放大器环节 传递函数，f反馈信号。则转台控制系统闭环传递函数为：

$\frac{\theta \left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{D\left(s\right)N\left(S\right)P\left(s\right)}{1+H\left(s\right)D\left(s\right)N\left(S\right)P\left(s\right)}---\left(1\right)$

当H(s)D(s)N(S)P(s)＞＞1时则(1)式变为：所以得： 其时间函数为：

$\theta \left(t\right)=L^{-1}\left[\frac{R\left(s\right)}{H\left(s\right)}\right]---\left(2\right)$

进一步当测角系统在理想情况下H(s)可近似为1，于是 θ(s)＝R(s)。这说明输出转角无误差的跟踪输入，达到了伺服随动的目 的。但是当测角系统存在谐波误差时必然通过H(s)影响到θ(s)，影响 测角系统精度，使闭环系统产生速率波动，影响伺服系统的伺服精度 和速率平稳性。然而闭环系统中影响系统误差的因素很多，很难区分 是何种原因产生的误差，那么如何来测试并发现系统中存在谐波误 差？

由闭环控制系统的基本知识可以得到偏差e(t)是反映闭环控制系 统给定量与反馈量的误差信号。当H(s)存在谐波误差时，偏差e(t)必 然有所反映，这是因为：

E(s)＝R(s)-H(s)θ(s)    (3)

而恰恰是因为H(s)在反馈回路中，且H(s)产生的误差无法通过前项通 道内的校正环节D(s)来获得补偿。因此u(t)也必然反映H(s)的变化。 于是可以通过测试u(t)的变化来观察H(s)中谐波误差的影响。显然测 量观察u(t)比直接处理输出转角θ(t)来得容易，正是这样观测研究u(t) 是有意义的。接下去的问题是如何测试u(t)和在什么条件下测试u(t)的 问题。

由上述分析得知u(t)可以用来间接测试由于H(s)中的谐波误差对 闭环系统造成的影响。问题是这种表现在感应同步器一个节距之间的 角度变化所呈现出的一次或二次波形的谐波误差在什么条件下来观 察？为了通过控制量u(t)来反映测角系统的谐波误差，需要建立一个 适当的测试环境，这个测试环境应该能使H(s)的谐波误差在通过闭环 系统时得到最大的放大，这样才容易观察到，为此需要利用闭环系统 的跟踪概念。图2是闭环系统增益特性，由闭环系统的带宽概念分析 会得到，当系统呈现为弱阻尼特性时，在带宽ω_b附近存在着谐振峰其 对应频率为ω_r，在此点上系统可获得最大增益。本文提出的测试方法 恰好利用了这一谐振特点来观察测角系统的谐波误差。接下去就是如 何使H(s)中的谐波误差在ω_r附近表现出来的问题了，本文提出了采用 使转台系统工作在特定速率状态的测试方法。

其基本思想是使在感应同步器一个节距之间的角度变化呈现为一 次或二次波形的谐波误差在闭环跟踪点处显现出来。当转台以相应于 系统闭环跟踪点附近频率的速率转动时(感应同步器转子相对其定子 以同样的转速转动)如果感应同步器存在一次、二次谐波误差，则必 然通过反馈回路和前项通道环节的放大在u(t)上反映出来。

例如转台系统的带宽为15Hz，当使转台以10°/sec的速度转动时即 每秒钟转过10度，这相当于感应同步器每秒钟转过10个节距，如果 感应同步器存在一次谐波误差，即一个节距间的角度变化呈现一次波 动。因转台机械角度一度相当于360对极感应同步器电角度的360度 即机械角度一度就等于感应同步器转过一个周期，故对感应同步而言 10°/sec相当于ω_n＝2πf＝2π10Hz/sec。则每秒转过十度会产生10个周期 的角度变化，此时会在u(t)上通过示波器观察到100ms一个周期、10Hz 的正弦波形。则此时的谐波误差频率为10Hz。同理若感应同步器存 在二次谐波误差时则会在u(t)上观察到50ms一个周期20Hz正弦波 形。因此如果在u(t)上观察到了这种与转速同频率或两倍频率(对感 应同步器)的波动信号时则认为系统中存在着一次谐波误差或二次谐 波误差。

当转台匀速转动时在正常情况下对应图1控制器输出的波形见图 5。

此时u(t)的常值电压就是保证系统无稳态误差，校正补偿控制器中 积分控制器输出对应的电压值。

条件同上，当转台匀速转动时若感应同步器存在谐波误差，利用 上述闭环跟踪特性，当转台以接近ω_r的频率ω_n转动时，反馈信号f(t) 表现为被感应同步器谐波误差所调制的斜波函数，其表达式为：

$f\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{2}{\Sigma }}\left(\sin k{\omega }_{n}t\right)+{\omega }_{n}t---\left(4\right)$

式中k＝1或2对应H(s)中的一次、二次谐波误差。

系统闭环时由于谐振点附近的增益较大，这种谐振特性使得u(t)充 分反映了这种误差的影响，当存在一次谐波干扰时控制器输出的波形 示意图见图6，当存在二次谐波干扰时控制器输出的波形示意图见图 7，当存在一次和二谐波干扰共同作用时控制器输出的波形示意图见 图8。

因此通过上述方法测试u(t)可以观察到闭环系统存在的一次或二 次谐波误差和两者叠加的误差。

这种利用闭环跟踪特性来观察测试测角系统感应同步器谐波误 差的方法可以称为跟踪测试法。该方法主体由三个要点：闭环跟踪特 性、感应同步器在反馈回路、以接近谐振频率的固定速率转动转台。

2、谐波误差的分析和在线补偿

利用上述跟踪测试法可在线测试观察闭环伺服控制器输出信号， 获得系统谐波误差的形式幅度大小，就可以有针对性的对误差进行分 析和在线补偿了。由于这两种谐波误差产生的机理不同，因此补偿方 法也各不相同。

2.1、一次谐波误差的分析和补偿

一次谐波误差产生于激磁基波频率信号对测角反馈信号(感应同 步器输出信号)的耦合作用，这种耦合可能发生在感应同步器的输出 端、反馈输出引线上或测角编码电路中，究其原因是接地不良、屏蔽 不好或电路排放不合理所至。既然一次谐波误差产生于激磁基波频率 信号的耦合作用，那么就可以应用叠加原理通过调试观察补偿效果来 去掉这种耦合。其具体做法是：取一路激磁信号(正弦或余弦根据调 试来确定)与反馈信号在测角电路板上进行叠加，在上述跟踪测试法 下，通过调整补偿环节的移相电路和幅值电路，用示波器观察u(t)中 谐波误差的情况使其补偿作用(幅度和相位)恰好与耦合产生的一次 谐波误差作用相反，在线动态观察补偿效果，使一次谐波误差调整到 最小程度，从而达到补偿的目的。

2.2、二次谐波误差的分析和补偿

二次谐波误差表现为一个节距-电角度360度周期内角度变化两 个周期。二次谐波误差主要产生于两种原因：即由感应同步器本身相 邻零位误差和相邻幅值误差造成的二次谐波误差其形式为：

$\Delta a_D=\frac{1}{2}\Delta a_0-\frac{1}{2}\Delta a_0\cos 2a_D+\frac{1}{2}\mathrm{\Delta ϵ}\sin 2a_D---\left(5\right)$

以及激磁电源的两相幅值偏差和两相相位不正交的影响，由激磁 电源产生的二次谐波误差表达式为：

观察(5)和(6)式可以看出感应同步器造成的二次谐波误差与 激磁电源产生二次谐波误差具有相似的解析结构。因此测角系统中的 二次谐波误差即感应同步器的相邻正交误差和相邻幅值误差可以通 过调整激磁电源的两相相位的正交度和两相幅值之间的偏差来补偿。

二次谐波误差的补偿过程同样利用上述的跟踪测试法，使转台以 系统闭环跟踪点附近频率的转速匀速转动，同时通过示波器观察u(t) 控制输出量是否有两倍于转速频率的正弦信号波动，在线调整激磁电 源两相输出信号的相位差和幅值偏差，使二次谐波误差幅值波动调整 到最小程度，从而保证了测角系统的精度。