基于感应同步器的高速高精度位置测量技术

　　圆感应同步器具有精度高、可靠性好、安装方便、抗恶劣环境能力强、价格便宜等优点,因此基于圆感应同步器位置测量系统得到广泛的应用.传统的测量方法有单相激磁鉴幅、单相激磁鉴相、双相激磁鉴幅、双相激磁鉴相[1],其中双相激磁鉴相和单相激磁鉴幅是常用的方法.人们为了提高位置测量的精度,进行了大量的研究工作,如激磁电源的设计[2],感应同步器测角系统误差分析及补偿[3,4],粗精结合测量[5],变频测量[6]等.到目前为止,所有基于感应同步器的位置测量法,都不能满足高速、高精度、高分辨率的测量场合.

　　双相激磁鉴相,由于受相位测量分辨率的影响,激磁信号的频率不能太高(一般几kHz),因此只适合低速(5.2rad/s以下)情况下的位置测量,同时测量时间间隔随转速的变化而变.单相激磁鉴幅,由于受感应信号中动态成分的影响[1],其测量精度低;测量过程中的角度跟踪能力,制约其可测最高运动速度(AD2S80、90即是单相激磁鉴幅).

　　幅度细分法[7],目前尚无应用在圆感应同步器构成的位置测量系统中.本文从系统的角度介绍了基于感应同步器的幅度细分位置测量法的原理及结构,介绍了设计中的关键技术,并对关键功能电路进行了仿真研究和实验.电路实验及系统仿真研究表明,此法适合高速(角速度可达26rad/s)、高精度(优于1'')、高分辨率(近0.0001°)位置测量.并且具有测量速度快,测量时间间隔固定等优点.

　　1 幅度细分测量法的原理

　　1.1 幅度细分的基本原理

　　幅度细分详细原理参见文献[7,8].幅度细分法用于感应同步器位置测量系统,需采用单相激磁双相输出的工作方式.如图1所示.Va为激磁信号,Vs、Vc为感应信号.则其函数关系如下[1]:

　　其中,A=kU,k为感应同步器传递系数;AD为感应同步器的电角度.电角度AD和机械位置的换算参见文献[7].

　　由式(2)、(3)可见,感应信号Vs、Vc为调幅信号,且信号中包含随运动速度增大而增大的动态分量(式中包含α>D的项).为得到高精度、高分辨率的位置,需采用高分辨率的A/D转换器对Vs及Vc在cosXt峰值处采样,以得到Vspp=AsinAD、Vcpp=AcosAD,从而求得精确的AD=arctan(Vspp/Vcpp).同时可由Vcpp及Vspp相邻两组值的符号确定正反运动方向.这里需要注意,实际系统中,Vcpp及Vspp幅度不可能相同,且带有直流偏移和噪声.这需要通过数据处理克服这些因素的影响.计算方法参见文献[8].

　　由式(2)、(3)可见,在cosXt峰值附近,动态分量的值很小.因此,实际采样时,虽然只能做到cosXtU1,但由此而引入的动态分量很小.峰值采样的最大好处是减少了动态分量的影响,提高了高速运动场合下精确测量位置的能力;其次,采样值最大,充分利用了A/D转换器的分辨率,有利于提高位置分辨率.因此,本测量法具有高速、高精度、高分辨率的特点.