轴角编码器码值跳变纠错方法研究

季 辉 陈小刚 杨甘霖

随着我国航天发射新一轮高峰期的到来，天线执行任务的频度越来越高。天线安全越来越受到人们的重视。轴角编码器码值跳变作为天线伺服系统常见故障，严重威胁天线安全。若天线处于位置环工作方式下轴角编码器码值跳变，导致天线飞车；若天线在跟踪环工作方式下码值跳变，则造成测角数据无效，导致航天器跟踪失败。本文立足轴角编码器工作原理，对码值跳变原因进行分析，探寻纠错方法。

轴角编码器工作原理

码值生成原理

轴角编码器主要功能是将天线实时角度信息由模拟量转换成数字量，并将其送至天线控制单元。图1 为轴角编码器组成框图，轴角编码器由旋转变压器、角度转换器、振荡器、移相器及相关总线组成。其中振荡器为旋转变压器提供正弦激磁信号，并通过移相器为角度转换电路提供基准信号。旋转变压器采用双通道多级旋转变压器，通道分为粗通道和精通道。粗通道由1 对极旋转变压器组成，精通道由64 对极旋转变压器组成。转子在空间绕轴旋转一周，定子绕组中的粗通道电势则按正余弦规律交变1 周，而精通道的电势则按正余弦规律交变64 周，换句话说粗通道输出电压的有效值变化周期为360°，而精通道的输出电压有效值变化周期为粗通道的1/64。粗、精通道输出的信号分别送入角度转换器，直接转换成二进制数字角度，即轴角编码器码值。

粗精结合

旋变输出信号经过角度转换器转换后得到14 位二进制码值，依次存入存储器，利用粗精组合软件，将14 位粗码和14 位精码组合成一组码值。对于电变比是64 的旋变来说，粗、精通道转换结果正好是错开6 位。

图1 轴角编码器组成框图

粗通道码值的第一位到第六位是整数部分，第七位（2.8175°）与精通道的最高位相对应，所以粗通道的T7～T14 就是它的余数部分，这样取粗通道码值的整数部分6 位，精通道的14 位，组合起来得到新的码值，其结果为20 位，这就是天线轴角编码值即为天线角度，见图3。

角度纠错设计

分析轴角编码器码值跳变原因，将其分为两类。

（1）信号传递过程或者旋变信号震荡等原因产生的误差，这类误差使得粗、精通道生成的码值产生差异，导致粗精结合失败。

（2）安装旋转变压器时同心度不够、长时间使用等原因，导致旋转变压器装配轴变形，引起轴角编码器产生固定偏差。

针对这两种码值跳变的机理，设计了末位纠错、零位标校两种纠错方法。若是粗精通道码值产生后进行粗精组合，若组合错误，就采用末位纠错的方法对粗通道、精通道的码值进行纠错。若组合正确但是天线角度依然存在错误，此时就需要依靠零位标定来重新设置角度值。（图4角度纠错流程图）

末位纠错

粗精结合时，粗通道的有效最低位与精通道的最高位结合。若粗通道有效最低位出错或者精通道的最高位出错，则粗精通道组合后的码值错误，导致角度跳变。这时就要对粗通道的有效最低位及精通道的最高位进行纠错，使之保持一致。

图2 多极旋变的粗精通道转换

图3 轴角编码组合值

图4 角度纠错流程图

纠错分析

在组合前，对粗通道码值的整数部分进行纠错处理，其步骤是判断粗码的T7、T8 位与精码的T1、T2 是否相差11，如果不为11，则不纠。如果粗码的T7、T8 位是11，而精码的T1、T2 位是00，此时粗码比精码慢了1 位，精码已经进位，而粗码本该进位却未进。因为在20 位组合码中，精码的14 位要全部取，所以要在粗码的整数部分加1。同理若粗码的第T7、T8 位为00，精码的T1、T2 位为11，则粗码比精码快了1 位，已经超前进位了。这时需要在粗码的整数部分减1，来校正粗大跳码，保证编码精度。

程序设计

针对上文分析，当轴角编码器角度错误时，就需对比对粗通道末两位及精通道前两位，修正错误码值，保证粗精结合正确。编写程序来实现以上功能，节选语句如下。

零位标定

图5 末位纠错代码节选

图6 零位标定窗口

图7 零位标校软件代码节选

当粗精组合正确，但是天线角度依然错误，说明实际位置与显示位置产生了一定的偏差，称之为系统偏差。要修正系统偏差，需要将天线指向已知的某些固定位置，重新标定显示角度，使之与实际位置对应，即零位标定。（图6 零位标定窗口）

若方位角度跳码，控制天线缓慢运动至零位记忆刻度尺重合处，打开零位标定软件，将方位零位记忆刻度角度零值通过串口置入轴角编码器，即强行使当前显示角度更改为记录的零位记忆刻度角度零值。

若俯仰角度跳码，控制天线缓慢运动至下预限位置（下预限指示灯亮），打开零位标定软件，将下预限角度值通过串口置入轴角编码器，当前显示角度更改为记录的下预限角度值。（图7 零位标校软件代码节选）

通过零位标校，在每次轴角编码器码值生成、结合之后，程序将自动扣除系统偏差，便可以获得实际天线的角度值。

结束语

末位纠错与零位标校这两种角度纠错方法，有效地解决了轴角编码器码值跳变问题，取得了良好的实际效果，为天线的安全、稳定跟踪航天器提供了良好保障。本文所述的两种方法也同样适用于其他天线，为操作人员解决此类问题提供了参考和依据。