Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор методов контроля преобразователей угла 7
1.1 Цифровые преобразователи угла 7
1.1.1 Классификация цифровых преобразователей угла 7
1.1.2 Контролируемые параметры ЦПУ 18
1.2 Методы контроля точности цифровых преобразователей угла 19
1.2.1 Контроль ЦПУ с помощью угломерных приборов и мер 20
1.2.2 Контроль ЦПУ с помощью образцового преобразователя угла 24
1.3 Лазерный гониометр 27
1.3.1 Обобщенная схема и принцип действия лазерного гониометра 27
1.3.2 Анализ случайной погрешности лазерного гониометра 29
1.3.3 Контроль точности ПУ с помощью лазерного гониометра 32
1.4 Выводы по главе и постановка задач исследования 34
Глава 2 Разработка лазерной гониометрической системы для контроля ЦПУ 36
2.1 Анализ технических требований к ЛГС 36
2.2 Классическая схема ЛГС для калибровки ЦПУ 39
2.3 Методы увеличения точности измерений ЛГС 43
2.3.1 Метод кросс-калибровки в задаче увеличения точности ЛГС 43
2.3.2 Метод кросс-калибровки с применением Фурье-анализа в задаче увеличения точности контроля преобразователей угла 48
2.4 Динамическая гониометрическая система с инкрементным ЦПУ в качестве образцового преобразователя угла 61
2.4 Применение ДГС при разработке высокоточных ЦПУ 65
2.5 Расширение диапазона рабочих угловых скоростей ЛДГ 76
2.6 Выводы по главе 81
Глава 3 Функция распределения результата измерения угла и достоверность кода ЦПУ 83
3.1 Реальные распределения погрешностей ЦПУ 85
3.2 Идентификация формы закона распределения погрешности 88
3.2.1 Построение гистограммы 91
3.2.2 Критерий согласия Пирсона 92
3.3 Достоверность кода 96
3.4 Исследования случайной погрешности ЛГС 98
3.4.1 Статистическое распределение результатов измерений 98
3.4.2 Функция распределения единичного результата измерений... 100
3.5 Экспериментальное определение достоверности кода ЦПУ 109
3.6 Выводы по главе 111
Глава 4 Методы измерения динамической погрешности ЦПУ 112
4.1 Оценка динамической погрешности преобразователя угла 112
4.2 Анализ основных источников динамической погрешности ЛГС .115
4.2.1 Оценка динамической погрешности кольцевого лазера 116
4.2.2 Оценка динамической погрешности нуль-индикатора 119
4.2.3 Оценка полной динамической погрешности ЛГС 121
4.3 Методика измерения динамической погрешности ЦПУ 122
4.4 Динамическая погрешность фотоэлектрического кодового ЦПУ 123
4.5 Динамическая погрешность кодового ЦПУ, выполненного на основе СКВТ 125
4.6 Динамическая погрешность инкрементных ПУ 131
4.6.1 Преобразователь угла RON-905 131
4.6.2 Преобразователь ПКГ-105М 133
4.7 Выводы по главе 135
Заключение 136
Список литературы 137
- Методы контроля точности цифровых преобразователей угла
- Метод кросс-калибровки с применением Фурье-анализа в задаче увеличения точности контроля преобразователей угла
- Идентификация формы закона распределения погрешности
- Динамическая погрешность кодового ЦПУ, выполненного на основе СКВТ
Введение к работе
Контроль точности преобразователей угла (ПУ) с информационной емкостью 11 бит и более (с дискретностью преобразования от единиц угловых секунд) является очень сложной и трудоемкой измерительной задачей, которая к настоящему времени получает все более эффективные решения.
Преобразователи угла находят широкое применение в различных автоматических системах навигации, контроля и управления, роботах, и во многом определяют функциональные возможности системы в целом. Поэтому к точности ПУ предъявляются очень высокие требования. Широкое применение в оборонной технике позиционных цифровых преобразователей угла и угловой скорости (в высокоточном оружии, информационно-управляющих системах, системах управления движением подвижных объектов и т.д.) определяет необходимость создания современной системы их метрологического обеспечения. Используемое в настоящее время метрологическое обеспечение преобразователей угол-код характеризуется рядом существенных недостатков. Контроль и поверка преобразователей производится обычно либо помощью с делительных головок, характеризующихся малым разрешением, существенными погрешностями и отсутствием возможности автоматизации процесса контроля, либо с использованием преобразователя угла такого же типа, принимаемого в качестве образцового. Для устранения указанных недостатков необходимо создание автоматизированной системы контроля параметров преобразователей угла в процессе их производства и приемо-сдаточных испытаний.
При проведении метрологической аттестации и периодической поверки преобразователей угла основной проблемой является выбор метода и средств поверки ПУ. Результатом поверки должна быть оценка абсолютной погрешности ПУ по входу. На практике ее значения находят в виде разности
5 углов, соответствующих номинальному значению градуированной характеристики ПУ, и действительным их значением на границах смены значений кода. Погрешность, обусловленную дискретизацией, при необходимости, учитывают исходя из конкретных условий эксплуатации. Для рассматриваемых ПУ она, в ряде случаев, не принимается во внимание, если информацию с их выхода используют только при угловых положениях вала, соответствующих границам смены кода. Характерно также, что погрешность ПУ необходимо рассматривать в функциональной связи с изменениями входной угловой величины, поскольку эти изменения имеют систематический характер, предопределяемый назначением этих ПУ [2].
Применяемые методы и средства должны обеспечить получение систематической составляющей погрешности, выраженной в виде функции угла поворота, что удобно для ее оценки и последующего исключения в условиях эксплуатации. Также, в ходе проведения поверки ПУ, необходимо обеспечить измерение всех ступеней квантования (угловых шагов) поверяемого ПУ и получение необходимого количества данных для обработки результатов наблюдений. Необходимо добавить, что процесс поверки должен проводиться в режиме вращения этого ПУ, чтобы в результаты наблюдений входила динамическая составляющая погрешности поверяемого ПУ.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование динамических гониометрических систем, обеспечивающих контроль точностных параметров преобразователей угла с высокой точностью при сложном законе движение ротора преобразователя в широком диапазоне угловых скоростей.
Диссертация состоит из четырех глав, заключения и списка литературы.
В главе 1 приводятся данные о классификации ПУ и наборе параметров, которые характеризуют ПУ как измерительное устройство. Кроме того, в главе содержится обзор использующихся в настоящее время основных
методов контроля точности ПУ. Остальные главы диссертации содержат результаты решения сформулированных в главе 1 основных задач диссертационной работы. В главе 2 приведены результаты разработки ряда динамических гониометрических систем, обеспечивающих контроль точности ПУ с высокой точностью в широком диапазоне угловых скоростей. Также приведены результаты применения различных методов, обеспечивающих повышение точности контроля ПУ. В главе 3 приведены результаты теоретической и практической оценки закона распределения вероятности погрешности результата измерения угла лазерным динамическим гониометром, построены доверительные интервалы этой оценки, проведена оценка достоверности кода конкретной модели ПУ на основе данных, полученных с помощью лазерного динамического гониометра. В главе 4 приведены результаты решения задачи оценки динамической погрешности ПУ с помощью динамической гониометрической системы.
Основные положения, выносимые на защиту:
Устранение основных недостатков классической лазерной гониометрической системы (ЛГС), обеспечиваемое использованием процедуры кросс-калибровки и применением в качестве образцовой шкалы инкрементных ПУ, дает возможность эффективно использовать динамические гониометрические системы для контроля параметров ПУ, в том числе в условиях серийного производства последних.
Динамическая гониометрическая система позволяет проводить контроль высокоразрядных ПУ с регистрацией генеральной совокупности данных, что дает возможность построения корректной модели погрешности ПУ, которая может быть использована для алгоритмической компенсации погрешности в реальном масштабе времени, а также на этапе проектирования и изготовления ПУ.
Основные компоненты ЛГС совместно с интерференционным нуль-индикатором имеют достаточно малую временную задержку выходного сигнала, что позволяет использовать такую систему для оценки динамической погрешности ПУ при сложном законе движения его ротора.
Методы контроля точности цифровых преобразователей угла
Оценка точности ЦПУ базируется на результатах сравнения параметров действительной и номинальной передаточной характеристики как функции равномерно распределенной угловой величины на входе ЦПУ [2]. Величина выходного кода ЦПУ определяется в реперных координатах угловой величины, в качестве которых для ЦПУ выступают угловые координаты смены значений кода.
Существующие методы контроля точности ЦПУ можно разбить на две группы. К первой группе относятся методы, базирующиеся на сравнении измерительной шкалы контролируемого ЦПУ со шкалой эталона (образцового преобразователя). Ко второй группе относятся методы, в которых в качестве метрологических средств применяются различные угломерные приборы и устройства. Однако эти методы имеют ряд существенных недостатков, затрудняющих их широкое практическое использование.
В первой группе особняком стоят методы, основанные на использовании кольцевых лазеров.
При помощи угломерных приборов и мер поверку выполняют только в отдельных точках угловой оси характеристики преобразования. Это позволяет лишь приближенно воспроизводить функцию погрешности без учета динамической составляющей. Выполняемые измерения с многократными наблюдениями позволяют обнаружить лишь систематическую составляющую искомой погрешности ЦПУ, а случайную оценить невозможно, поскольку ее значение оказывается сопоставимо со случайными погрешностями измерения или меньше их.
Наиболее информативно точностные возможности прецизионных ЦПУ определяются полной погрешностью преобразования [26]. В состав полной погрешности преобразования входят погрешность квантования, распределенная, как правило, по равномерному закону, и погрешность воспроизведения уровней квантования, характеризующая уровень разработки и производства этих изделий, закон распределения вероятностей которой может быть отличным от нормального. Поэтому ниже рассмотрим определение погрешности воспроизведения уровней квантования как наиболее информативной характеристики контролируемых ЦПУ.
Метод основывается на использовании многогранной призмы, интерференционного нуль-индикатора и ЭВМ, позволяющей вести расчет необходимых метрологических характеристик и параметров контролируемых ЦПУ. На рисунке 1.4 показана структурная схема автоколлимационной установки [30]. На общем валу закреплены ротор контролируемого ЦПУ и регулируемый столик, на который устанавливается многогранная призма (ПМ). Угловые положения вала установки задаются устройством задания угловых положений (УЗУ). Обработка экспериментальных данных и управление движением вала установки осуществляются измерительно-вычислительным комплексом (ИВК), организованным на основе ЭВМ, через управляющее устройство (УУ и исполнительный механизм (ИМ). Съём экспериментальных данных осуществляется с использованием автоколлиматора (АК).
Погрешность воспроизведения уровней квантования, текущее значение А2 которой для к-го кванта находят как где (рх(к), Ф„(Аг) — соответственно действительная и расчетная координаты момента смены значения Аг-го кванта; q{, q - соответственно текущее и
расчетное дискретные значения кванта, определяют на основе пространственной развертки угловой величины. С этой целью многогранную призму предварительно устанавливают на оправке с отверстием под вал ЦПУ и жестко крепят на нем таким і образом, чтобы ее геометрический центр совпадал с осью вращения вала, а изображение марки автоколлиматора от каждой грани призмы при ее повороте проходило по оси отсчета автоколлиматора. Тем самым изменение углового положения вала ЦПУ вместе с призмой контролируется автоколлиматором в тех пределах, пока изображение марки находится в поле его зрения [26].
Поворачивая вал ЦПУ до появления в поле зрения автоколлиматора изображения его марки от первой грани призмы в моменты смены значений m-j, m—j—1, ..., т, ..., т+1-1, т+1 квантов (рисунок 1.5, б), регистрируют их координаты, которым соответствуют показания шкалы автоколлиматора ар аг1, ..., а0, ..., ан, о,-(рисунок 1.5, в).
Значение а0 соответствующее угловой координате смены значения т— кванта, который считывается с выхода ЦПУ а момент пересечения изображением марки (точка D на рисунке 1.5, а) нуля шкалы автоколлиматора (точка 0 на рисунке 1.5, в), запоминают как начальную точку процесса измерения погрешности А2. Учитывая, что показания автоколлиматора соответствуют действительным координатам моментов смены значений контролируемых квантов, значения погрешности А2 этих квантов согласно (1.1) определяют как где Л — информационная емкость ЦПУ в битах. Как правило, перед проведением проверки погрешности А2 нуль шкалы ЦПУ совмещают с началом отсчета измерительного устройства. Для этого вал ЦПУ поворачивают до момента появления на его выходе нулевого значения кода во всех разрядах. Призму устанавливают так, чтобы изображение марки автоколлиматора от ее первой грани находилось в середине шкалы автоколлиматора. В этом случае; вместо га-кванта (см. рисунок 1.5, б) на выходе ЦПУ будет нулевой квант, а момент смены его значения совпадает с нулем шкалы автоколлиматора, т.е. выполнится условие а0=0. Тогда в случае га=0 по (1.2) вычисляют значения А2 (2N—j), ..., А2(0) &2(i) Вместе с тем, условие ао=0 на практике реализовать достаточно сложно, поэтому величину ао легче учитывать при расчете значений погрешности А2. После проведения измерений значений погрешности А2 m-j, ..., т, ..., m+j квантов, объем массива которых определяется величиной поля зрения автоколлиматора (рисунок 1.5, а), переходят к проверке с помощью второй грани призмы. Для этого поворачивают вал ЦПУ на угол ф=360/р, где р — число граней призмы до появления изображения марки в поле зрения автоколлиматора от второй грани. По шкале автоколлиматора регистрируют значения PS PS-I — PO — PT-\ PT (СМ. рисунок 1.5, в) соответствующие моментам смены значений п—s, п—s—1, ..., п, ..., п+т—1, и+г квантов (см. рисунок 1.5, б). Действительные координаты моментов смены значений этих квантов вычисляют как где А12 значение центрального угла многогранной призмы между первой и второй гранями согласно аттестату. Тогда значения погрешности Д2, определяемые с помощью второй грани призмы, имеют вид Следующие измерения проводят для р2 оставшихся значений угловых положений вала ЦПУ и определяют значения А2{к) приемами, описанными для измерений с использованием второй грани призмы по зависимостям, аналогичным (1.4). Таким образом, изложенный подход определения погрешности А2 при вращении вала ЦПУ от 0 до 360 позволяет контролировать выборочным методом р участков измерительной шкалы ЦПУ, равное количеству граней призмы. Следует помнить, что контроль точности прецизионных ЦПУ с помощью многогранной призмы и автоколлиматора имеет некоторые особенности, связанные с вычислениями значении погрешности А2.
Метод кросс-калибровки с применением Фурье-анализа в задаче увеличения точности контроля преобразователей угла
Выше отмечалось, что важную роль при контроле ПУ с помощью ЛГС играют компоненты систематической погрешности, обусловленные биениями оси вращения ЛГС, качеством муфты, связывающей вал ЛГС с ротором калибруемого ПУ, неточностью установки ротора ПУ относительно вала ЛГС. Систематические погрешности обусловленные муфтой и неточностью установки ротора ПУ, как правило, хорошо воспроизводятся и могут быть определены применением метода кросс-калибровки. При этом разворотам подлежат те элементы, влияние которых на работу ЛГС необходимо определить, т.е. при исследовании влияния муфты необходимо разворачивать муфту относительно корпуса ЛГС, при исследовании влияния неточности установки ПУ — статор ПУ и т.п. Систематическая погрешность, обусловленная биениями оси вращения ЛГС, существенным образом зависит от типа подшипников, используемых в механическом блоке ЛДГ. Этот тип систематической погрешности не всегда хорошо воспроизводится, и ее определение может быть затруднено. В общем случае систематическая погрешность измерений может быть описана в виде ряда Фурье, записанного в форме - амплитуды /с-гармоники; Т - период функции Д(х) - число точек на оборот, в которых было произведено определение погрешности преобразователя [5. Теорема Котельникова (теорема отсчетов), определяет условия, при которых непрерывный сигнал, дискретизированный по временной или пространственной переменной, может быть восстановлен по своим отсчетам без потери какой-либо информации о нем. Согласно этой теореме, в случае, если необходимо выделить первых гармоник из (2.7) требуется провести измерения в TI2 положениях элемента ЛДГ, влияние которого на погрешность системы исследуется. Известно, что основные указанные выше погрешности, дающие вклад в полную погрешность измерений угла ЛГС, такие как несоосность ротора ПУ и вала измерительной установки, радиальный бой ПУ, погрешность муфты а также ряд других погрешностей проявляются в основном на частотах первой и второй гармоник частоты вращения вала ЛГС [16, 21]. Для выделения первой и второй гармоник в результатах измерения угла ЛГС согласно вышесказанному необходимо осуществить не менее 4-х разворотов исследуемого элемента и затем выделить из результатов измерения угла при каждом положении исследуемого элемента члены, находящиеся справа в выражении (2.7).
В случае, когда есть необходимость в проведении алгоритмической компенсации выделенной составляющей погрешности измерения угла, проводят построение модели погрешности с использованием анализа Фурье. В зависимости от поставленной задачи отбор номеров гармоник, использующихся для построения модели погрешности, осуществляют на основе априорной информации или по пороговому значению амплитуды. Тогда вычисление параметров ряда Фурье удобно проводить, используя следующие выражения [5, 6]: ф - номинальный накопленный угол для /-го углового интервала ПУ; Ц)"огр - погрешность ПУ для і-то углового интервала. Рассмотрим результаты использования такого подхода для определения параметров калибруемых ПУ, а также параметров элементов ЛГС (прежде всего муфты связывающей вал ЛГС с ротором калибруемого ПУ). Оценка влияния эксцентриситета ротора ЦПУ, а также оценка погрешности, вносимой соединительной муфтой, проводились при помощи метода кросс-калибровки на установке, в состав которой входят: поворотная платформа с КЛ и посадочным местом для установки калибруемого ЦПУ, соединительная муфта, сопрягающая вал ЛГС и ротор ЦПУ, блок электроники и ЭВМ с платой ввода информации. На рисунке 2.5 представлена схема подключения аппаратуры при контроле погрешности ЦПУ. На блок-схеме введены следующие обозначения: ЦПУ — кодовый фотоэлектрический преобразователь угла ПФ-ЛН-К, КЛ - кольцевой лазер, блок электроники - блок, обеспечивающий питание, инициацию газового разряда в активной среде КЛ, прием-передачу управляющих и информационных сигналов в системе. Стоит особо отметить, что исследуемый ЦПУ имел конструкцию, в которой часть старших двоичных разрядов выходного кода формируется из сигналов младших разрядов при помощи схемы электронного сложения. Другими словами, число физически существующих кодовых дорожек ЦПУ не соответствует (меньше) величины его разрядности [37]. Поэтому, при проведении исследований съём экспериментальных данных целесообразно проводить с последней (старшей) физически присутствующей в ЦПУ кодовой дорожки. В данном 14-разрядном ЦПУ последним физически присутствующим разрядом являлся разряд №7.
Идентификация формы закона распределения погрешности
Экспериментальные исследования погрешностей средств измерений различных типов показали, что законы распределения погрешностей могут существенно отличаться от нормального. Поскольку знание реального закона распределения необходимо для выбора методики получения оценки измеряемой величины, то в необходимых случаях приходится выбирать закон распределения, в наибольшей мере соответствующий экспериментальным данным - идентифицировать форму закона распределения.
Для решения этой задачи необходимо, чтобы число измерений было больше 15...20. Меньшее число измерений не позволяет судить о законе распределения [8].
Исходные данные для выбора закона распределения получают из гистограммы. Для ее построения по результатам многократных наблюдений строят вариационный ряд - располагают результаты в порядке возрастания и выбирают минимальное jq и максимальное хп значения - крайние члены вариационного ряда. Отрезок хп — х\ между ними делят на т интервалов одинаковой протяженности d. Интервалы ограничены значениями Xj и xi+\, где Xj = Xj_i + (/ - \)d; Xj+i —Xj+id (і = 1, 2,..., m +1). Заметим, что верхняя граница последнего интервала xt+i = хп. По вариационному ряду определяют число rij результатов, попавших в каждый интервал, а затем вычисляют относительные частоты щ1 п.
Относительные частоты являются оценками вероятности pj попадания результатов в данный интервал. Нормированные по ширине интервала относительные частоты щ I nd могут служить оценкой среднего значения плотности вероятностей на интервале. Границы интервалов откладывают на числовой оси, а на каждом интервале строят столбик высотой щ I nd. По совокупности столбиков оценивают форму изменения плотности вероятностей. В пределе при п- оо и d — 0 гистограмма превращается в плавную кривую.
При заданном объеме выборки число разбиений определяет степень изрезанности гистограммы, поэтому для ее сглаживания протяженность интервала d следует увеличивать. Однако с ростом ширины интервала d теряется информация о форме изменения искомой плотности вероятностей, так как сглаживаются его особенности.
Для каждого вида закона распределения существует оптимальное число интервалов, при котором гистограмма будет в наибольшей мере соответствовать графику плотности вероятности. Оптимальное число интервалов в первую очередь должно зависеть от числа наблюдений [8, 22, 42]. Кроме того, число интервалов зависит от эксцесса. Исследования показали, что для большинства встречающихся на практике законов распределения, включая трапецеидальный, гауссовский, Лапласа, оптимальное число интервалов (-V + 3)lg(rc/10). Если эксцесс закона распределения неизвестен, но заключен в интервале -1,2...3, то оптимальное число т лежит в пределах от тп =5.41g(«/10) до = 9.81g(«/10).
Выбор интервалов одинаковой длины не всегда целесообразен. Так, на участках быстрого изменения плотности вероятностей или в тех точках, где плотность вероятностей меняется скачкообразно, интервалы следует уменьшить. Крайние же столбцы гистограммы можно сделать более протяженными.
В большинстве случаев конечной целью построения гистограммы является установление аналитической формы плотности вероятности. Для этого необходимо сначала определить модель закона распределения. Выбор модели производят по форме гистограммы. В простейшем случае просто визуально подбирают аналитическую модель, форма графика которой похожа на гистограмму. Таких моделей может быть несколько.
В зависимости от сущности проверяемой гипотезы и используемых мер расхождения оценки характеристики от ее теоретического значения применяют различные критерии. К числу наиболее часто применяемых критериев для проверки гипотез о законах распределения относят критерии хи-квадрат Пирсона, Колмогорова, Мизеса, Вилкоксона, о значениях параметров — критерии Фишера, Стьюдента [8].
Сопоставляя возможности различных критериев, необходимо отметить следующие особенности. Критерий Колмогорова слабо чувствителен к виду закона распределения и подвержен влиянию помех в исходной выборке, но прост в применении. Критерий Мизеса имеет ряд общих свойств с критерием Колмогорова: оба основаны непосредственно на результатах наблюдения и не требуют построения статистического ряда, что повышает объективность выводов; оба не учитывают уменьшение числа степеней свободы при определении параметров распределения по выборке, а это ведет к риску принятия ошибочной гипотезы. Их предпочтительно применять в тех случаях, когда параметры закона распределения известны априори, например, при проверке датчиков случайных чисел. Критерий Пирсона устойчив к отдельным случайным ошибкам в экспериментальных данных. Однако его применение требует группирования данных по интервалам, выбор которых относительно произволен и подвержен противоречивым рекомендациям.
Обычно сущность проверки гипотезы о законе распределения экспериментальных данных заключается в следующем. Имеется выборка экспериментальных данных фиксированного объема, выбран или известен вид закона распределения генеральной совокупности. Необходимо оценить по этой выборке параметры закона, определить степень согласованности экспериментальных данных и выбранного закона распределения, в котором параметры заменены их оценками.
Выбрать наиболее подходящую модель закона распределения как раз и позволяют критерии согласия. Существуют критерии, позволяющие оценить, насколько реальное распределение близко к гауссовскому. Таким критерием является составной, рекомендованный ГОСТ. Для его реализации необходимо 15...50 измерений. Недостаток критерия в том, что он не позволяет оценить возможную принадлежность выборки к другим законам распределения. От этого ограничения свободен критерий Пирсона, позволяющий оценить принадлежность выборки к другим законам.
Динамическая погрешность кодового ЦПУ, выполненного на основе СКВТ
При проведении исследований требовалось определить динамическую погрешность цифрового преобразователя угла поворота ротора в сигналы управления гребным электродвигателем (ДПР) в диапазоне угловых скоростей 180...1200%.
Исследуемый преобразователь является необходимым элементом вентильного электропривода, т.к. в соответствии с информацией об угловом положении ротора осуществляется коммутация токов в секциях обмоток электродвигателя, обеспечивающая поддержание необходимого вращающего момента [35].
ДПР представляет собой электромагнитный преобразователь углового положения ротора в 18-разрядный цифровой код и состоит из синусно-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ) и следящих преобразователей выходных сигналов СКВТ в код угла. ДПР построен по двухотсчетной схеме. Грубый (ГО) и точный (ТО) отсчеты ДПР выполнены на отдельных магнитопроводах. ГО представляет собой классический плоский СКВТ с синусоидально-распределенными концентрическими обмотками, ТО выполнен многополюсным (число пар полюсов равно 64) с сосредоточенными волновыми обмотками.
ДПР представляет собой электромагнитный преобразователь углового положения ротора в 18-разрядный цифровой код и состоит из синусно-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ) и следящих преобразователей выходных сигналов СКВТ в код угла. ДПР построен по двухотсчетной схеме. Грубый (ГО) и точный (ТО) отсчеты ДПР выполнены на отдельных магнитопроводах. ГО представляет собой классический плоский СКВТ с синусоидально-распределенными концентрическими обмотками, ТО выполнен многополюсным (число пар полюсов равно 64) с сосредоточенными волновыми обмотками.
Амплитуда сигналов на выходных обмотках ДПР изменяется пропорционально sin а и cos а в ГО и пропорционально sinpa и cos pa в ТО, где a - угловое положение ротора, р — коэффициент электрической редукции ТО. Оценка углового положения ГО и ТО производится преобразователями сигналов СКВТ в код угла. Код на выходе преобразователя ГО отображает угловое положение ротора, но с низкой точностью. Код на выходе преобразователя ТО отображает угловое положение ротора в некотором секторе 360/р и соответствует остатку от деления pa/360. Выходные коды каналов ГО и ТО объединяются в схеме согласования отсчетов, формирующей полный код угла с разрядностью т + п, где ra = lg2p, а п— разрядность точного отсчета. Далее код угла преобразуется в сигналы управления силовым коммутатором гребного электродвигателя в преобразователе код-код.
Для контроля динамической погрешности необходимо определение 24 угловых координат смены состояния 18-ти выходных сигналов исследуемого преобразователя.
Следует отметить, что контроль погрешности подобных преобразователей в динамическом режиме является задачей относительно новой, прежде всего из-за практического отсутствия эталонов угла, работающих в динамике.
Исследования проводились на углоизмерительной установке, представляющей собой ДГС, использующей в качестве ОПУ фотоэлектрический преобразователь угла RON-905 фирмы «Heidenhein». Функциональная схема ДГС представлена на рисунке 4.4. Вал 4 аэростатической опоры 13, приводящийся в движение вращающим приводом 15 и компрессором 14, соединен непосредственно с ротором 2 ДПР и гониометрической платформой (на рисунке не показана), а также через муфту 12 с ротором 11 RON-905. Статор 10 RON-905 механически соединен с неподвижным основанием. Плоское зеркало 5, жестко укрепленное на роторе ДПР, оптически связано с интерференционным нуль-индикатором угла (динамическим интерференционным автоколлиматором) 6, укрепленным на неподвижном основании.
ДГС с установленным на нем ДПР работает следующим образом. Вал 4 при помощи компрессора 14 поддерживается в состоянии скольжения через воздушную прослойку по внутренней поверхности аэростатической опоры 13. Двигатель 15, снабженный тахогенератором и системой автоматического регулирования вращающего момента, обеспечивает вращательное движение вала 3 вокруг фиксированной оси, совпадающей с осевой линией опоры 13, по заданному закону (с постоянной угловой скоростью, с постоянным угловым ускорением, а также по синусоидальному закону). При движении ротора 2 относительно неподвижного статора 1, электронным блоком 7 вырабатываются импульсы ДПР. Они поступают на первый вход блока формирования 8.
В момент совмещения нормали к зеркалу 5, укрепленному на роторе 2, с опорным направлением, задаваемым нуль-индикатором 6, на выходе нуль-индикатора 6 вырабатывается короткий импульс, который поступает на второй вход блока формирования 8 и служит опорной точкой отсчета углов в ДГС. Стабильность углового положения этой точки отсчета обеспечивается механической жесткостью крепления нуль-индикатора 6 относительно статора 1 ДПР и малостью угловой ширины импульса, соответствующего нулевой полосе интерференции оптических пучков.
Фотоэлектрический преобразователь RON-905 вырабатывает при вращении его ротора 11 относительно статора 10 равноотстоящие по углу поворота импульсы, подаваемые на третий вход блока формирования 8. Положение этих импульсов (36000 на полный угол) привязано в шкале углов к импульсам ДПР и нуль-индикатора, что позволяет использовать импульсы RON-905 для отсчета углов. Также RON-905 (далее - ФЭП) формирует в каждом обороте одиночный импульс с фиксированным угловым положением. Он использован для формирования сигнала начального сброса и запуска процесса отсчета углов в ДГС. Анализ сигналов и управление процессом съёма информации ведётся устройством 9, выполненным на основе персонального компьютера с интерфейсной платой.
Метод оценки погрешности преобразователя основан на прямом сличении его реальной угловой шкалы с угловой шкалой ФЭП и угловой шкалой, образуемой МП и НИ, в режиме вращения шкал на общем валу по заданному закону с накоплением отсчетов угла в ЭВМ в реальном времени.
Таким образом, процедура измерений состояла в многоканальном накоплении угловых отсчетов в процессе вращения вала ДГС по заданному закону.
Похожие диссертации на Разработка и исследование гониометрических систем контроля преобразователей угла
