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一種適用于多極旋變的高精度編碼器跳碼監(jiān)測評估方法

2021-04-30 07:25:12錦,王
電子設(shè)計工程 2021年7期
關(guān)鍵詞:多極高精度編碼器

侯 錦,王 鵬

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第39 研究所,陜西西安 710065;2.陜西省天線與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室,陜西 西安 710065)

利用多極旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度傳感器的軸角編碼器廣泛應(yīng)用于各種測控、遙測、遙感和通信天線,對于衛(wèi)星測控、遙測接收和衛(wèi)星通信軸角編碼器讀取多極旋變的精通道和粗通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合,獲得滿足測角精度要求及指向控制的高精度的角度數(shù)據(jù)[1-8]。

多極旋轉(zhuǎn)變壓器是一種獲得天線角度的傳感器設(shè)備,可以提供較高的角度分辨精度。軸角編碼器通過采集旋轉(zhuǎn)變壓器的返回信號,經(jīng)過編碼芯片的解碼,組合不同通道的采樣值獲得天線運(yùn)動軸上的絕對位置。它是天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制和完成測角任務(wù)的重要設(shè)備。

角度跳碼是使用多極旋轉(zhuǎn)變壓器編碼經(jīng)常遇到的問題,角度組合、安裝結(jié)構(gòu)、旋變或者旋變編碼信號采集通路出現(xiàn)問題時均可觸發(fā)跳碼,此時設(shè)備處于故障狀態(tài),不能進(jìn)行角度閉環(huán),對于遙測接收和衛(wèi)星測控中的角度引導(dǎo)工作方式將不能工作,引起目標(biāo)丟失、數(shù)據(jù)丟失,導(dǎo)致工作異常或任務(wù)失敗。由于缺乏對于角度編碼的監(jiān)測,設(shè)備狀態(tài)惡化到一定程度才出現(xiàn)故障,角度跳碼常常作為一種突發(fā)故障,對于設(shè)備和任務(wù)影響大、危害大[9-12]。

1 多極旋變的高精度編碼原理

多極旋轉(zhuǎn)變壓器是由一對極旋轉(zhuǎn)變壓器組成的粗測量通道和P對多極旋轉(zhuǎn)變壓器組成的精測量通道組成,P值越大,極對數(shù)越多。高精度編碼器使用多極旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行角度位置測量以提供高精度的編碼,為保證編碼精度,測控站多選擇64 極的旋變作為編碼感應(yīng)器件。

以多極正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器為測角元件,高精度編碼器使用RDC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)正、余弦模擬電信號向數(shù)字信號的變換,根據(jù)數(shù)字化編碼位數(shù)精度匹配關(guān)系,獲得方位軸、俯仰軸位置角度編碼。

編碼過程為激磁信號發(fā)生電路的振蕩器經(jīng)過功率放大器將輸出信號作旋變的激磁信號源,并通過調(diào)整電路給RDC 轉(zhuǎn)換電路作基準(zhǔn)信號,RDC 器件將來自旋變的模擬信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字角度信號。單片機(jī)CPU 負(fù)責(zé)角度數(shù)據(jù)的處理,讀取的二進(jìn)制數(shù)字角度原始信息,依據(jù)角度編碼規(guī)則(編碼角度范圍與采樣位數(shù)的對應(yīng)關(guān)系)對二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行組合,分別得到系統(tǒng)內(nèi)每個旋變對應(yīng)的角度信息。最后通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)按照接口要求送至外部設(shè)備,如圖1所示。

圖1 編碼器組成

為獲得滿足精度要求并提供測量坐標(biāo)系內(nèi)的角度值,在編碼的過程中需要進(jìn)行粗碼和精碼的角度組合以及編碼零值校正。

角度組合模塊在每個控制周期中根據(jù)旋變極數(shù)和編碼精度要求將RDC 采樣編碼得到的二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)和對應(yīng)的編碼位數(shù)要求,進(jìn)行精粗通道的組合,形成覆蓋運(yùn)動軸(如轉(zhuǎn)臺式天線的方位和俯仰軸)運(yùn)行范圍的角度值。零值校正模塊根據(jù)初始化讀取的角度零值對編碼后的角度值進(jìn)行角度標(biāo)定的修正,得到滿足測量坐標(biāo)系要求的系統(tǒng)軸系工作角度值。

以極對數(shù)為1∶64 的多極旋轉(zhuǎn)變壓器為例,粗通道為1 對極,精通道為64 對極,轉(zhuǎn)子在空間繞軸旋轉(zhuǎn)一周,定子繞組中的粗通道電勢則按正、余弦規(guī)律交變一周,而精通道的電勢則按正、余弦規(guī)律交變64 周,粗通道輸出電壓的有效值變化周期為360°,而精通道的輸出電壓有效值變化周期為360°/64=5.625°。

根據(jù)設(shè)備編碼精度需要和旋變極數(shù),采樣RDC的二進(jìn)制數(shù)與精粗角度產(chǎn)生對應(yīng)關(guān)系,在此基礎(chǔ)上,對精粗?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行組合,獲得需要的角度值。在組合的過程中,由于旋變安裝、傳輸線路等因素,精粗?jǐn)?shù)據(jù)存在一定的不同步,這里稱之為相位差,當(dāng)差值異常時將產(chǎn)生角度組合匹配異常,可引起跳碼。

2 多極旋變的編碼評估方法

根據(jù)前文的分析,精碼和粗碼的相位關(guān)系即相位差可作為跳碼實(shí)時監(jiān)測的特征項,依據(jù)組合編碼的原理,相位差還可作為故障分析、狀態(tài)評估的特征項,系統(tǒng)通過采集角度數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)并根據(jù)其組合方式,對原始數(shù)據(jù)和相位差進(jìn)行分析。通過對特征項的期望值和實(shí)際采集、計算數(shù)值之間作差生成殘差信號,并用殘差信號表征相對于標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀態(tài)的偏差,基于此殘差即可對系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行判斷[9-14],如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)故障診斷、評估模式

跳碼評估預(yù)警方法主要功能為通過對旋變精、粗采樣編碼的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,在特征項相位差的基礎(chǔ)上結(jié)合編碼模型,獲得當(dāng)前編碼的狀態(tài),并根據(jù)數(shù)據(jù)變化的規(guī)律和趨勢,完成編碼、監(jiān)測、評估和由相位匹配產(chǎn)生跳碼的預(yù)警。通過對測量計算產(chǎn)生的處理結(jié)果進(jìn)行存儲,并在編碼過程中對測量數(shù)據(jù)分析形成數(shù)據(jù)變化的規(guī)律和趨勢,作為模型參數(shù),經(jīng)過模型和參數(shù)對比得出結(jié)果。測量數(shù)據(jù)在編碼器的掉電可存儲器件中進(jìn)行存儲,以便于在編碼過程中進(jìn)行讀取和分析比對。

對于設(shè)備首先需要以一個正常的狀態(tài)作為初始狀態(tài),以此為基礎(chǔ),對設(shè)備其后的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和評估。以64 極旋變?yōu)槔鶕?jù)編碼精粗?jǐn)?shù)據(jù)組合原理,360°被劃分為64 個編碼段,在每個編碼段內(nèi),粗碼角度與精碼角度值對應(yīng),并由精碼提供更高精度的編碼數(shù)值,可以取粗碼在64 個編碼段上的角度值,與精碼值比較,計算兩者的角度差,并將該值歸一化到以0~360°表示的相位值,這樣就計算出了粗碼對精碼的相位差。

在整個編碼范圍內(nèi)測量并記錄Φ值,形成一組Φ(Φ1~Φn),Φ的采樣點(diǎn)數(shù)不少于編碼范圍對于5.625的整數(shù)倍,根據(jù)硬件設(shè)計提供的存儲空間確定采樣點(diǎn)數(shù),提高采樣密度可增加分析評估對不同原因引起角度跳變的適應(yīng)性。對整個Φ的數(shù)據(jù)隊列,根據(jù)Φ的最大值和最小值確定用于設(shè)備初始編碼的修正值Φ0,一般來說由于結(jié)構(gòu)加工及安裝的不同心,產(chǎn)生的相位差為近似的正弦曲線,其曲線越平坦則表明同心度越好,鏈路相位的一致性較好,如圖3、圖4所示。

圖3 粗精相位差(方位支路)

圖4 粗精相位差(俯仰支路)

在系統(tǒng)編碼測試和調(diào)試階段,一般會對精粗組合時的相位進(jìn)行疊加數(shù)值修正,通過填入一個固定的Φ0,對精粗組合的角度進(jìn)行整體修正,可使該曲線位于相位180°位置,使角度組合時上下相位處于裕度最大的位置,以使設(shè)備在初始狀態(tài)下在任意位置的角度組合滿足編碼規(guī)則不發(fā)生跳碼,并保證系統(tǒng)對于可能產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形、傳輸相位變化等問題具有最大的適應(yīng)性,Φ0一般可取最大與最小值的均值。

如圖5 所示相位差不滿足組合要求,對其進(jìn)行相位修正,疊加一個相位值使初始相位差滿足要求,如圖6 所示。

圖5 修正前粗精相位差(方位支路)

在此基礎(chǔ)上獲得修正Φ的數(shù)據(jù)隊列在編碼范圍(如方位為0~360°、俯仰為0~180°)角度上的相位差值Φi和角度值θi,作為設(shè)備評估的初始參考值,作為系統(tǒng)進(jìn)行條碼監(jiān)測、評估和預(yù)測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,在設(shè)備啟動時讀出并在設(shè)備運(yùn)行編碼時進(jìn)行實(shí)時相位計算并比對。

圖6 修正后粗精相位差(方位支路)

在設(shè)備運(yùn)行時,根據(jù)讀取的實(shí)時數(shù)據(jù)計算當(dāng)前精、粗采樣編碼的相位來對編碼原始信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和評估,當(dāng)前精、粗采樣編碼的相位值Φj與初始記錄的Φ隊列進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合計算當(dāng)前的理論相位差ΦT,計算兩者的差值,同時以ΦT作為基準(zhǔn)計算可能產(chǎn)生跳碼的相位門限ΦΔ,最后借助精粗角度變化協(xié)助進(jìn)行預(yù)警??紤]到編碼設(shè)備為小型化嵌入式系統(tǒng),其計算和存儲有一定的限制,并且擬合精度不需要很高,保持在1 度的分辨率即可,因此擬合方法可采用常用的線性擬合,如下:

其中,Φ為相位差,θ為角度;可根據(jù)計算評估給出設(shè)備狀態(tài):

1)健康:ΔΦ小于門限的20%;

2)正常:ΔΦ小于門限的80%,大于門限的20%;

3)異常:ΔΦ小于門限的100%,大于門限的80%;

4)故障:ΔΦ大于門限的100%。

3 工程應(yīng)用和編碼器設(shè)計實(shí)現(xiàn)

由于結(jié)構(gòu)變形、設(shè)備長時間運(yùn)行、電纜短線或老化引起的跳碼均可在粗、精的相位差上表現(xiàn)出來。目前,這種方法已在包括二代導(dǎo)航在內(nèi)的多套固定和車載測控、遙測設(shè)備上進(jìn)行了測試驗證并開展了工程應(yīng)用。這些設(shè)備的天線控制單元利用串行接口讀取編碼設(shè)備的粗支路和精支路的原始數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精粗?jǐn)?shù)據(jù)組合,在對精粗通道的相位差進(jìn)行計算和分析的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)編碼狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測、相位曲線的回執(zhí)及修正值的確定。

通過該方法已診斷并解決了多類跳碼故障,在設(shè)備日常運(yùn)行中對相位變化趨勢的持續(xù)監(jiān)測,可有效對編碼跳碼進(jìn)行評估和預(yù)警,并對突發(fā)的編碼跳碼故障進(jìn)行報警和診斷。

通過在嵌入式高精度編碼器中集成該方法使常規(guī)的編碼器具備評估、預(yù)警和故障診斷的能力,利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該部件的狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警等健康管理功能;同時利用編碼器對外的數(shù)字接口,向外部設(shè)備上報相關(guān)的評估預(yù)測信息,可支持上位機(jī)及遠(yuǎn)程評估、預(yù)測和診斷[13-15],是天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)健康管理功能的基礎(chǔ)。其主要硬件組成及軟件擴(kuò)展如圖7 所示。

圖7 主要硬件組成及軟件擴(kuò)展

在高精度編碼器設(shè)計時,可根據(jù)跳碼評估方法對數(shù)據(jù)處理的要求選擇掉電存儲器件的容量,以每度一點(diǎn)的記錄采集為例,360 點(diǎn)的相位存儲需要的容量約為720 Byte,在硬件設(shè)計上可利用現(xiàn)有參數(shù)存儲的掉電存儲數(shù)據(jù)接口按需擴(kuò)展存儲容量。軟件監(jiān)測與評估預(yù)警功能通過增加評估預(yù)警軟件模塊,在編碼周期中將相位基于模型的估算與實(shí)際計算進(jìn)行比對,這樣在不改變原有高精度編碼器的硬件結(jié)構(gòu)、不影響原有軟件功能和流程的前提下實(shí)現(xiàn)功能的快速部署[16-17]。

軟件在讀取精碼和粗碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)組合成滿足精度要求的角度時,可在精粗碼組合前,增加一個模塊,用于計算精碼和粗碼的相位差,并與初始的正常相位進(jìn)行比對來實(shí)現(xiàn)在編碼器工作過程中實(shí)時進(jìn)行角度跳碼監(jiān)測和預(yù)警,其工作流程見圖8,模塊可生成編碼狀態(tài)標(biāo)志,可作為編碼狀態(tài)的一部分向外部輸出。標(biāo)志為報警時,由天線控制單元根據(jù)標(biāo)志決定采取哪些保護(hù)措施;當(dāng)輸出為角度可用時,編碼器程序按照原有設(shè)計流程執(zhí)行;在進(jìn)行實(shí)時相位計算的過程中,還可根據(jù)編碼原理,對實(shí)際的編碼相位裕度進(jìn)行比較和記錄,當(dāng)裕度小于門限時,表明需要對該編碼支路上的旋變、線路、結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的相差進(jìn)行調(diào)整并據(jù)此進(jìn)行維護(hù)檢修[18-19]。

4 結(jié)束語

多極旋變的高精度編碼器的跳碼評估方法通過對編碼原始數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和分析,可以對設(shè)備當(dāng)前的編碼狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和評估,對故障進(jìn)行隔離和定位,利用與預(yù)警門限的比判實(shí)現(xiàn)對可能發(fā)展為跳碼的故障進(jìn)行預(yù)警,有效解決編碼器角度跳碼這一突發(fā)故障問題。

編碼設(shè)備使用者可以通過評估和預(yù)警數(shù)據(jù),在日常運(yùn)行中及時對設(shè)備進(jìn)行檢查和維護(hù),避免在任務(wù)或者日常運(yùn)行中出現(xiàn)跳碼故障,實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)防性維修,適應(yīng)當(dāng)前設(shè)備使用和維護(hù)需求。針對多極旋變的高精度編碼器的跳碼評估方法用于高精度編碼器可保證編碼精度和原有各項功能、性能的前提下,解決編碼設(shè)備由于安裝不合格、長期運(yùn)行、突發(fā)故障等導(dǎo)致的編碼器角度跳變問題,基于編碼原理、數(shù)據(jù)分析和故障模型,實(shí)現(xiàn)編碼監(jiān)測和評估預(yù)警。為工程應(yīng)用提供了一種低成本、易實(shí)現(xiàn)且高效的方案。

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