双通道旋转变压器粗精组合轴角转换原理及应用
赵文香;刘玉晶;张巍;马立明
【摘 要】目前的旋转变压器大多采用粗精组合来提高其精度,粗精组合时的纠错问题是粗精组合系统的一个关键问题.基于双通道旋转变压器粗精组合轴角转换原理及纠错方法,研究设计了旋转变压器作为轴角转换器件的角度测试系统,包括:选用旋转变压器作为姿态角传感器和高低角传感器测试装置的测角元件;采用双通道旋转变压器粗精组合方式实时获取角度信息;通过与单片机的连接,选取旋转变压器数字转换器进行数字转换,完成角度信息的输出;在软件设计方案中,重点研究了粗精组合算法,采用余数比较法确定粗轴读数和精轴读数的组合关系,对粗、精轴读数进行组合纠错,提高了传感器的测角精度.
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2018(000)006
【总页数】5页(P72-76)
【关键词】旋转变压器;数字转换;粗精组合;电路设计;误差分析;精度
【作 者】赵文香;刘玉晶;张巍;马立明
【作者单位】北方导航控制技术股份有限公司,北京 100176;北方导航控制技术股份有限公司,北京 100176;北方导航控制技术股份有限公司,北京 100176;北方导航控制技术股份有限公司,北京 100176
【正文语种】中 文
【中图分类】TM383.2
目前，旋转变压器作为测角元件应用很广，在武器系统中主要应用于测量车体的姿态角、高低角和方位角。在以数字化战场为核心的系统中，要想充分发挥作战效能，必须提高命中率和快速反应能力；因此，提高各个传感器的输出精度尤为关键。旋转变压器以及相应的数字变换器具有较高的可靠性和抗干扰能力，良好的环境条件适应性和可维护性，近十年来，各种用途的火控系统都采用了旋转变压器做为测角、数据传输和同步控制等[1]。提高测量精度有2种方式：一种是多极旋转变压器可以提高固有精度；另一种是用2种不同极对数的旋转变压器组成组合电动机，利用提高传动比来提高测量精度。
目前的旋转变压器大多采用粗精组合来提高其精度，粗精组合时的纠错问题是粗精组合系统的一个关键问题。
1 双通道旋转变压器粗精组合轴角转换原理及纠错方法
1.1 粗精组合转换原理
双通道旋转变压器是由2种不同极对数的旋转变压器组成一体的组合电动机。粗通道多选用单极旋转变压器，精通道选用多极旋转变压器。粗精组合原理如图1所示。以前传动比多为20～30，现在传动比已提高，如32、64和128等。
图1 粗精组合原理图
粗精组合系统的意义表现在2个方面：一是以增加元件为代价，来换取较高的测量精度，而对元件本身的精度并没有更高的要求， 这就克服了元件制
造工艺水平的限制；二是可以利用2个精度等级较差的旋转变压器和变速箱来代替1个高精度的旋转变压器，以完成高精度的角度测量[2-4]。
粗精组合的基本思想是利用放大n后测量，来达到提高精度的目的。为了提高测角精度，旋转变压器采用多级旋转变压器，由旋转变压器输出电压公式可计算出相应的粗测角度φ和精测角度θ。将粗精解算结果φ、θ分别用10位和14位二进制表示，粗精组合关系如图2所示。
图2 粗精组合关系图
1.2 粗精组合纠错方法
为了提高旋转变压器的精度(分辨率)，研制出了高精度的多极旋转变压器。对于多极旋转变压器来说，其工作原理与单极旋转变压器完全相同，只是输出电压的有效值随转子转角变化的周期不同。
多极旋转变压器的粗精组合是利用放大n来提高测角精度；但应保证粗读整数不能有差错，因为一旦粗读整数有错，精读小数再准确也是无意义的。粗轴与精轴之间是靠传动比联系的，而粗精两通道的读数彼此是独立的。由于种种原因，例如传动误差、旋转变压器误差、编码电路的误差，以及测角元件和转换器的误差不可能完全匹配等，实际得不到粗精两通道重合位读数的理想配合，这种误差发生于粗读整数在2个刻度的边界状态下，有可能使粗通道的最低有效位多计或少计1个数，因此，应对粗通道的最低有效位进行纠错。
纠错方法按如下3种情况进行，它的基本思想是以精位数码为准来校正粗位数码，以粗位与精位的重合位进行比较鉴别，完成纠错。
1)精角寄存器的角度在第1象限(θ<90°)时，粗角寄存器只能少记，不可能多记，根据精角寄存器的第1、第2位和粗角寄存器的第7、第8位的状态，考虑向粗角寄存器的第6位进1。
2)精角寄存器的角度在第4象限(270°<θ<360°)时，粗角寄存器只能多记，不能少记，考虑向粗角寄存器的第6位减1。
3)精角寄存器的角度在第2或第3象限时，粗角寄存器既不会多计，也不会少计，这时不必进行纠错。
1.3 粗精组合传动比的选择
多级旋转变压器测角精度高是因为它本身的精度高，并且N对极旋转变压器将单极旋转变压器的电角度偏差由θ增加到Nθ，提高了小失调角时的输出电压，相当于增大了小失调角时系统的开环放大倍数，根据控制理论，这样会明显减小系统误差。
无限制提高旋转变压器的极对数，给制造上带来较大的困难，如果N>8，在制造上基本不可能了。为了进一步提高旋转变压器的精度(分辨率)，往往采用双通道的旋转变压器组合。
在实际工程系统中，往往需要机械粗精啮合旋转变压器系统输出数字化，以便得到表示轴角的单值数字。这类要求常常越来越多地由电器啮合的旋转变压器系统来实现。因为2类系统包含有相同的技术和粗精系统机电方面的相关信息。
如果利用10位旋转变压器/数字变换器组成的双通道系统，选择粗精之间的传动比为1∶64，即可把精度从10位提高为20位，因为传动比为1∶64，精通道旋转变压器旋转1周，而粗通道旋转变压器转角为5.625°。
按照武器系统测角的精度和分辨率要求来选定传动比，如已知精通道转换器为14位，系统需要的分辨率为18位，即需要提高4位，则传动比为1∶16。上述解算是由计算双通道系统的分辨率的方法反推导而得到的。
计算系统的分辨率的程序步骤如下：1)确定的下一位二进制数N，假定传动比为1∶64，则N=128；2)取对数并减1，即：加结果数，系统的分辨率为：6+14=20。
按照上述步骤，可以计算出本系统在精转换器为14位、系统分辨率为20位时传动比为1∶64。
>支持小数点的进制转换器