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

(北方导航控制技术股份有限公司，北京 100176)

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。

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。

2 应用设计

2.1 硬件电路设计

为了适应武器装备系统的计算机控制，需要将旋转变压器输出的四线交流信号转换成数字量。粗精组合纠错逻辑电路图如图3所示。表征轴角θ的四线交流输出电压，直接输入粗、精旋转变压器/数字转换器转换成粗、精数据，再输入单片机，单片机进行数据纠错和处理后即可得表征轴角θ的20位数字，计算机接收上述数字量进行适时控制[5]。

图3 粗精组合纠错逻辑电路图

2.2 粗精组合纠错程序设计

该部分软件设计主要是处理数据采集程序采集到的数据，组合纠错后，输出真实角度值。采用的方法是对粗、精通道输出数字重合位的电平状态进行逻辑判断，这一方法通常称之为余数比较法。应根据粗、精通道之间的相对误差(应把它看成是粗通道的误差)的大小来决定需要多少个重合位才能判断有无模糊误差。当粗通道的误差不大于精轴1圈所代表的角度值的3/8时，所需逻辑判断需处理3个重合位，它们是精轴读数(14位)的最高3位(A、B、C位)和与之对应的粗轴读数(10位)的第F、G、H位，判断过程如下：

1)当ABC=000，FGH=111时，

K F G H

粗轴读数：× × × × × × 111 ×

精轴读： 000 × × × × × × × × × × ×

A B C

如果把粗轴1圈平均划为8个区域，即M1～M8，把精轴1圈平均也划为8个区域，即N1～N8，(见图4)，则ABC=000表明精轴的转角在N1区，FGH=111表明粗轴的转角在M8区。与此相对应，粗轴的FGH=111表明从第F位开始到最末位数字所代表的角度小于精轴1圈的角度，但大于精轴1圈的7/8，即相当于处在精轴的N8区域。这就产生了一个问题，既然精轴位于N1，则表明它刚刚转完1整圈。如果粗、精通道同步的话，此时第K位应加上1。但是FGH=111，第F位还没有向第K位进位，第K位上少计了1个1，这样构成的组合读数，因第K位少1，将产生5.625°的负误差。为了纠正这一误差，应在该位加上1个1。

图4 粗轴、精轴组合关系图

2)当ABC=111，FGH=000时，

K F G H

粗轴读数：× × × × × × 000 ×

精轴读数： 111 × × × × × × × × × × ×

A B C

由图4可知，精轴此时位于N8区域，而粗轴已经进入M1区域，第K位肯定多计了1个1，为纠正这一误差，应在该位减去1个1。

3)当ABC=011时，此时精轴位于N4，因假定粗通道误差不大于精轴1圈的3/8，所以粗轴不可能位于M8，在第K位上不会产生多1或少1的现象，因而无模糊误差[6]。同理可知，粗、精轴组合纠错规律见表1。

表1 粗轴、精轴组合纠错码

该部分软件的实现首先分别取出粗轴、精轴的3位，生成2个二进制数M和N。根据表1建立一个3列、12行的十六制的数组，第1列是M的值，第2列是N值，第3列是相应的纠错码。当纠错位需要加1时，纠错码是0010(十六进制)；当纠错位需要减1时，纠错码是0010的补码FFF0。查找数组，若在数组中找到对应的M、N，那么对粗轴进行纠错计算，粗轴读数=粗轴+纠错码；若查找不到，则不需要进行纠错计算。纠错后算出最后的结果2个16位的二进制数RH=粗轴/26(高4位)，RL=粗轴×210/214+精轴(低16位)。组合纠错程序流程图如图5所示。

图5 粗精组合纠错程序流程图

2.3 系统转换精度

粗精转换系统的分辨率取决于粗精传动比和转换器的分辨率，速比越高和转换器的分辨率越高，整个系统的分辨率越高，很容易获得所期望的分辨率。对14位转换器，用于1∶64的精轴系统，得到的分辨率为：

360°/(26+220)=1.2″

粗精机电系统的传输精度可表示为：

(1)

式中，Bt为齿轮箱的齿隙；Ct为相对于粗轴啮合的圆周误差；St为精旋转变压器的精度。

对于数字粗精系统的传输精度需要把转换器的精度加到等式中，这样，整个系统的精度为：

(2)

式中，Dt为精转换器的精度。

从式中的第3项(Dt+St)/n可以看出，系统精度与精旋转变压器的精度和精转换器的精度有关。

在本系统中，精转换器为14位，Dt=±4.5′；其他部分精度为：St= ±10″，Bt=±(1/2)′，Ct=±(1/4)′，n=64。因此，系统精度为：(1/2)′+(1/4)′+(4.5+1/6)′/64 = 0.82′。

2.4 误差分析

系统采用粗精组合系统来提高测角精度，由于齿轮及传动机构的间隙，测角元件及线路的精度等会造成误差，使得粗精通道不能达到理想配合。误差主要包括机械误差和其他误差。

2.4.1 机械误差

在实际应用中，旋转变压器的轴通过齿轮直接与系统的输入轴连接，齿轮的径向跳动和偏心将不可避免地引起角误差。主要机械误差有径向跳动误差、旋转变压器轴偏心率误差和安装直径误差等。

2.4.2 其他误差

其他误差主要包括零位误差、跟踪误差和器件误差等。

1)零位误差。旋转变压器的零位误差是指当原边激磁绕组加基准电压激励后，副边输出绕组输出随转角θ呈正(余)弦函数变化的电压，每一个电气角度出现1个零点，该零点可能与理想零点偏离1个角度Δθ，这实际偏离的角度Δθ就是零位误差。本系统零位误差消除的方法是用软件置零，在角度范围内位置均可实现。

2)跟踪误差。任何伺服系统在跟踪过程中都存在误差。在求取该误差时，首先确定系统的速度常数Kv，然后求出最大跟踪速度时的跟踪误差，并和整个机构误差作代数相加。

3)器件误差。输入、输出器件会导致系统静态不精确，如轴承的安装和旋转变压器转子的调整使系统产生误差，一般情况下，器件误差为常温状态下的误差值，误差随温度变化，可参考误差随温度变化的曲线。转换器件的转换误差和器件的精度有关。

2.4.3 消除误差的方法

本系统采用粗精组合方法来消除各种误差，在实际使用中，用软件来合理组合粗、精轴的读数值，采用余数比较法对数据进行纠错，此方法可以有效减小误差的影响。使系统满足设计要求。

3 结语

本文采用了旋转变压器作为测角元件，选定旋转变压器数字转换器作为数字转换器件，采用单片机处理方式，用余数比较法对粗、精轴读数进行组合纠错，组成粗精组合角度测量系统，主要研究结论归纳如下。

1)采用粗精组合方式对粗轴读数和精轴读数进行粗精组合，提高了传感器的测角精度，采用本文测角系统，精度可以达到0.82′，有效地提高了传感器的输出精度。

2)该系统在使用过程中，不需要调整旋转变压器的零位，用软件可以设置零位，减少了零位调试的过程，使用方便。

3)用软件实现多极旋转变压器粗精机组合的传动比是1∶64。当传动比为其他值时，如1∶36或1∶128，只需更换相应部分的具体值即可，因此该方法具有普遍意义。用软件实现粗、精机轴角组合的方法较之硬件实现的组合方法更为经济实用。

[1] 马克刚. 同步器解算器及其工程系统设计实践[M]. 北京：兵器工业出版社，1996.

[2] 詹训慧，陈宝国. 双通道多级旋转变压器的角度组合算法研究[J]. 微电机，2012(12): 55-58.

[3] 侯孝民，王元钦，张若禹. 精粗组合型轴角数字转换器设计[J]. 指挥技术学院学报，1998(3): 81-85.

[4] 刘升才，王茂，曾庆双. 双通道测角系统中的粗精耦合问题[J]. 黑龙江自动化技术与应用，1994(2): 105-108.

[5] 金艳艳. 模块化轴角/数字转换器的选用及系统设计中的有关问题[J]. 雷达与对抗，1998(4): 15-18, 59.

[6] 谢显之，刘新跃，于永昌. 轴角编码粗精组合纠错算法的研究与实现[J]. 计量与测试技术，2001(3): 6-7, 9.