RU2554561C1

RU2554561C1 - Digital angle sensor with digital error correction

Info

Publication number: RU2554561C1
Application number: RU2014125912/08A
Authority: RU
Inventors: Александр Анатольевич Глущенко; Леонид Гаврилович Жезлов; Сергей Всеволодович Овсянников; Анатолий Петрович Синицын
Original assignee: АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики" (АО "ЦНИИАГ")
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2015-06-27

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: device comprises a two-speed induction sensor of angle of angle component solver type, comprising a precise reading angle component solver and a rough reading angle component solver, an analogue-digital converter of follow-up type, a microprocessor controller with a controller of an external system bus with support of memory chips NAND Flash and with a controller of serial interface for input of a code of an angle of a reference digital angle sensor, a system bus, a non-volatile storage NAND Flash, a circuit of generation of code reading from the ADC to the MPC for interruption.

EFFECT: increased accuracy.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области автоматики и робототехники и может быть использовано в высокоточных следящих приводах с цифровыми датчиками угла (ЦДУ), в которых точность ЦДУ должна лежать в пределах нескольких угловых секунд.The invention relates to the field of automation and robotics and can be used in high-precision servo drives with digital angle sensors (DAC), in which the accuracy of the DAC must lie within a few angular seconds.

В высокоточных цифровых следящих приводах широкое применение получили ЦДУ, которые состоят из первичных датчиков угла типа синусно-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ) и аналого-цифровых преобразователей сигналов СКВТ в цифровой код (АЦП ВТ). Как правило, такие ЦДУ строятся по двухотсчетной схеме. На одном валу первичного датчика угла устанавливается датчик угла точного отсчета (СКВТ ТО) с электрической редукцией, равной двоичному числу (16, 32, 64 и т.д.), и датчик угла грубого отсчета (СКВТ ГО) с электрической редукцией, равной единице. Электрическая редукция в СКВТ равна числу периодов выходного электрического сигнала на один оборот вала. Выходные сигналы СКВТ ТО поступают на вход АЦП ВТ ТО, на выходе которого формируется цифровой код ТО. Выходные сигналы СКВТ ГО поступают на вход АЦП ВТ ГО, на выходе которого формируется цифровой код ГО. Число разрядов кода ГО определяется числом электрической редукции СКВТ ТО (если эл. ред.=64, то число разрядов ГО должно быть 6, т.к. 64=2⁶). Число разрядов кода ТО зависит от разрядности АЦП ВТ ТО. Полный выходной код ЦДУ формируется путем «стыковки» кода ГО с кодом ТО. Таким образом, для построения, например, 20-разрядного ЦДУ нужно использовать СКВТ ТО с электрической редукцией, равной 64 (например, БВТВ100-С28 фирмы ОАО «ВНИТИ ЭМ», г. Санкт-Петербург), и АЦП ВТ ТО с числом разрядов, равным 14 (например, 2602ПВ1БП фирмы ОАО «НИИ-ЭМП», г. Пенза).In high-precision digital follow-up drives, CDUs are widely used, which consist of primary angle sensors such as sine-cosine rotary transformers (SSC) and analog-to-digital converters of SQT signals into a digital code (ADC VT). As a rule, such central control centers are constructed according to a two-reporting scheme. On one shaft of the primary angle sensor, an accurate reference angle sensor (SKVT TO) with an electric reduction equal to a binary number (16, 32, 64, etc.) and a coarse angle sensor (SKVT GO) with an electric reduction equal to one are installed . The electric reduction in SCRT is equal to the number of periods of the output electrical signal per revolution of the shaft. The output signals of SKVT TO are fed to the input of the ADC VT TO, at the output of which a digital TO code is generated. The output signals of SCWT GO are fed to the input of the ADC VT GO, at the output of which a digital GO code is generated. The number of bits of the GO code is determined by the number of electrical reduction of the HVAC TO (if email = 64, then the number of bits of the GO should be 6, because 64 = 2 ⁶ ). The number of bits of the TO code depends on the capacity of the ADC VT TO. The complete output code of the CDU is formed by “docking” the GO code with the TO code. Thus, to build, for example, a 20-bit CDU, it is necessary to use SCWT TO with an electric reduction of 64 (for example, BVTV100-S28 of the company VNITI EM, St. Petersburg), and an ATs VT VT with the number of discharges, equal to 14 (for example, 2602PV1BP of the company NII-EMP, Penza).

Точность высокоразрядных ЦДУ с первичными датчиками угла типа СКВТ в основном определяется погрешностями СКВТ ТО. Кривые погрешностей СКВТ ТО привязаны к электрическому периоду выходного сигнала, а значит повторяются за один оборот вала ЦДУ число раз, равное числу электрической редукции. Эти погрешности имеют систематический характер и отличаются от образца к образцу по характеру и по граничным значениям. Например, БВТВ100-С28 фирмы ОАО «ВНИТИ ЭМ», который можно использовать в качестве СКВТ ТО в 20-разрядном ЦДУ, имеет заявленную в технических условиях погрешность ±30 угл. с. Цена единицы младшего разряда 20-разрядного ЦДУ в угловой мере равна 360°/2²⁰=1,24 угл. с. Поэтому разработчики высокоточных ЦДУ, если точность собственно СКВТ ТО не укладывается в рамки предъявляемых к ЦДУ требований, принимают технические решения для повышения точности ЦДУ в целом.The accuracy of high-speed CDUs with primary angle sensors of type SKVT is mainly determined by the errors of SKVT TO. The error curves of the SKVT MOT are tied to the electric period of the output signal, which means that they are repeated for one revolution of the CDU shaft the number of times equal to the number of electric reduction. These errors are systematic in nature and differ from sample to sample in character and in boundary values. For example, BVTV100-S28 of the company VNITI EM OJSC, which can be used as an SKVT TO in a 20-bit central control center, has an accuracy of ± 30 angles declared in technical specifications. from. The unit price of the least significant bit of a 20-bit CDU in an angular measure is 360 ° / 2 ²⁰ = 1.24 angles. from. Therefore, the developers of high-precision CDCs, if the accuracy of the actual SCWT TO does not fit the requirements of the CDC, make technical decisions to improve the accuracy of the CDC as a whole.

Известны схемотехнические решения ЦДУ, в которых для повышения точности ЦДУ, наряду с основным АЦП ВТ ТО, вводится корректирующий канал с дополнительными цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) и аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) и с элементами подстройки, предназначенный для формирования корректирующих поправок аппаратным аналоговым способом.Known are the circuitry solutions of the CDU, in which to improve the accuracy of the CDU, along with the main ADC VT TO, a correction channel is introduced with additional digital-to-analog converters (DACs) and analog-to-digital converters (ADCs) and with adjustment elements, designed to form corrective corrections using an analog hardware method .

Недостатками данных ЦДУ являются необходимость использования дополнительных ЦАП и АЦП с элементами подстройки и сложность выявления функции погрешности, которое производится на специальных метрологических стендах с использованием высокоточных оптических угломеров.The disadvantages of these CDUs are the need to use additional DACs and ADCs with tuning elements and the difficulty of identifying the error function, which is performed on special metrological stands using high-precision optical goniometers.

Из известных устройств подобного типа наиболее близким по технической сущности к заявляемому ЦДУ является выбранный в качестве прототипа цифровой преобразователь угла (патент №2308148), содержащий дополнительные аналого-цифровые преобразователи, функциональные цифроаналоговые преобразователи и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которые используются для выявления функции погрешности и ее коррекции в аналоговом виде.Of the known devices of this type, the closest in technical essence to the claimed CDU is a digital angle converter (patent No. 2308148) selected as a prototype, containing additional analog-to-digital converters, functional digital-to-analog converters and random access memory (RAM), which are used to identify functions errors and its correction in analog form.

К недостаткам этого ЦДУ можно отнести то, что для выявления функции погрешности ЦДУ должен быть переведен в режим вращения вала (ротора) с определенной угловой скоростью, при которой проявляются фильтрующие свойства ЦДУ следящего типа и объемность аппаратуры преобразования выявленной погрешности в виде напряжения постоянного тока в массив цифровой информации и затем обратно в напряжение постоянного тока.The disadvantages of this CDU can be attributed to the fact that, in order to identify the error function, the CDU must be switched to the shaft (rotor) rotation mode with a certain angular speed, at which the filtering properties of the CDA of the tracking type and the volume of the equipment for converting the detected error in the form of a DC voltage to an array are manifested digital information and then back to DC voltage.

В предлагаемом ЦДУ решается задача повышения точности (коррекции погрешности) путем автоматического выявления в режиме тестирования (в процессе подготовки к контролю качества) систематической погрешности ЦДУ и фиксации ее в энергонезависимой памяти МПК в виде таблицы поправок. При работе ЦДУ в штатном режиме выходной код выдается по рабочему интерфейсу с учетом этих поправок, что позволяет значительно (при необходимости в несколько раз) повысить точность ЦДУ.The proposed CDA solves the problem of increasing accuracy (error correction) by automatically detecting in the testing mode (in preparation for quality control) the systematic error of the CDA and fixing it in the non-volatile memory of the IPC in the form of a correction table. When the CDU is operating in normal mode, the output code is issued via the working interface with these corrections taken into account, which allows significantly (if necessary several times) improving the accuracy of the CDU.

Для решения этой технической задачи в ЦДУ, содержащий двухотсчетный индукционный датчик угла типа СКВТ, состоящий из СКВТ точного отсчета (СКВТТО) и СКВТ грубого отсчета (СКВТ ГО), синусные и косинусные выходы которых соединены с синусными и косинусными входами двухканального аналого-цифрового преобразователя сигналов СКВТ в код угла (АЦП ВТ) следящего типа, введены микропроцессорный контроллер (МПК) (например, 1986ВЕ1Т фирмы ЗАО «ПКК Миландр») с контроллером внешней системной шины с поддержкой микросхем памяти NAND Flash и с контроллером последовательного интерфейса для ввода кода угла эталонного ЦДУ, системная шина, энергонезависимая память NAND Flash, схема формирования сигнала считывания кода с АЦП ВТ в МПК по прерыванию, причем цифровой выход кода угла АЦП ВТ поразрядно подключен к МПК через системную шину, к которой также подключена энергонезависимая память NAND Flash, цифровые выходы N старших разрядов кода ТО из полного кода угла АЦП ВТ (где 2^N - число участков коррекции) поразрядно подключены к N цифровым входам схемы формирования сигнала считывания кода с АЦП ВТ в МПК по прерыванию, а однобитный выход схемы соединен с однобитным входом прерывания МПК, код угла эталонного ЦДУ поступает на вход последовательного интерфейса МПК.To solve this technical problem, the central control center contains a double-counted induction angle sensor of the SKVT type, consisting of an SKVT of a precise reference (SKVTTO) and a SKVT of a coarse reference (SKVT GO), the sine and cosine outputs of which are connected to the sine and cosine inputs of a two-channel analog-to-digital signal converter SCRT in the angle code (ADC VT) of the tracking type, a microprocessor controller (MPC) was introduced (for example, 1986 BE1T manufactured by PKK Milander CJSC) with an external system bus controller with support for NAND Flash memory chips and with a subsequent controller interface for entering the angle code of the reference CDU, system bus, non-volatile NAND Flash memory, circuit for generating a signal for reading the code from the ADC to the MPC by interruption, and the digital output of the angle code of the ADC VT is bitwise connected to the MPC through the system bus, which is also connected to non-volatile NAND Flash memory, digital outputs of the N senior bits of the TO code from the full angle code of the ADC VT (where 2 ^N is the number of correction sections) are bitwise connected to the N digital inputs of the signal reading circuit of the code from the ADC VT to the IPC by interrupt, and the single-bit output of the circuit is connected to the single-bit interrupt input of the IPC, the angle code of the reference CDU goes to the input of the serial interface of the IPC.

На фиг. 1 приведена функциональная схема ЦДУ с цифровой коррекцией погрешности.In FIG. 1 shows the functional diagram of the CDU with digital error correction.

ЦДУ с цифровой коррекцией погрешности содержит двухотсчетный индукционный датчик угла 1 типа СКВТ (включающий в себя СКВТ точного отсчета и СКВТ грубого отсчета), аналого-цифровой преобразователь 2 сигналов СКВТ ТО и СКВТ ГО в код угла (АЦП ВТ) следящего типа, микропроцессорный контроллер (МПК) 3 с контроллером внешней системной шины с поддержкой микросхем памяти NAND Flash и с контроллером последовательного интерфейса для ввода кода угла эталонного ЦДУ, системную шину 6, энергонезависимую память NAND Flash 4, схему 5 формирования сигнала считывания кода с АЦП ВТ в МПК по прерыванию.A digital accuracy correction center contains a dual-count induction angle sensor 1 of type SKVT (including an SKVT of an accurate reference and SKVT of a coarse reference), an analog-to-digital converter 2 of signals SKVT TO and SKVT GO into an angle code (ADC VT) of a tracking type, a microprocessor controller ( IPC) 3 with an external system bus controller with support for NAND Flash memory chips and with a serial interface controller for entering the angle code of the reference CDU, system bus 6, non-volatile NAND Flash 4 memory, readout signal generation circuit 5 to ode to the ADC VT in the IPC interrupt.

ЦДУ с цифровой коррекцией погрешности работает следующим образом.CDU with digital error correction works as follows.

ЦДУ с цифровой коррекцией для проведения операций по тестированию (контролю качества) закрепляется на испытательном стенде и на его вал устанавливают эталонный ЦДУ с полым валом, собственная точность которого достаточна для контроля тестируемого ЦДУ, и осуществляют совмещение нулевых отсчетов эталонного ЦДУ и тестируемого ЦДУ. В качестве эталонного ЦДУ может быть применен высокоточный ЦДУ фирмы «HEIDENHAIN» RCN 829. Этот ЦДУ представляет собой датчик угла (диаметром 200 мм) со встроенными подшипниками, пустотелым валом (диаметром 60 мм) и встроенной муфтой статора. Заявленная погрешность этого датчика ±1 угл. с уже учитывает погрешности, вызываемые встроенной муфтой статора. Конструкция датчика RCN 829 позволяет осуществить практически идеальную схему механического сопряжения его с валом тестируемого ЦДУ.A digitally corrected CDA for testing (quality control) operations is mounted on the test bench and a reference CDU with a hollow shaft is installed on its shaft, whose intrinsic accuracy is sufficient to control the tested CDA, and the zero samples of the reference CDA and the tested CDA are combined. A HEIDENHAIN RCN 829 high-precision CDC can be used as a reference CDC. This CDC is an angle sensor (200 mm in diameter) with integrated bearings, a hollow shaft (60 mm in diameter) and an integrated stator coupling. The stated error of this sensor is ± 1 angle. c already takes into account the errors caused by the integrated stator clutch. The design of the RCN 829 sensor makes it possible to carry out an almost perfect scheme of its mechanical interface with the shaft of the tested CDU.

Перед проведением операций по контролю качества проводится операция по выявлению систематической погрешности тестируемого ЦДУ и ее коррекции. Для этого цифровой выход эталонного ЦДУ подключается к последовательному интерфейсу МПК 3 тестируемого ЦДУ. Далее вручную поворачивают вал тестируемого ЦДУ с установленным на нем эталонным ЦДУ, в любую сторону на угол не менее чем угловой интервал электрического периода СКВТ ТО, т.е. для рассматриваемого ЦДУ (где СКВТТО имеет электрическую редукцию 64) на угол, равный 360°/64=5°37¹30¹¹ (см. Фиг. 2 Примерная кривая погрешности ЦДУ и диаграмма цифровой коррекции). На диаграмме показано, что угловой интервал, соответствующий электрическому периоду СКВТ ТО, разбит на 2⁵=32 участка коррекции, и номер каждого участка коррекции определяется кодом 5-ти старших разрядов кода ТО (7-11 разр. кода АЦП ВТ). В процессе поворота вала тестируемого ЦДУ код с выхода 7-11 разрядов АЦП ВТ 2 поступает на вход схемы 5 формирования сигнала считывания кода с АЦП ВТ в МПК по прерыванию. Каждый раз при прохождении границы очередного участка, начиная с первого, в схеме 5 формирования сигнала считывания кода с АЦП ВТ в МПК происходит смена кода номера участка коррекции, что приводит к формированию на выходе схемы сигнала прерывания, который поступает на однобитный вход МПК 3.Before conducting quality control operations, an operation is performed to identify the systematic error of the tested CDA and its correction. For this, the digital output of the reference CDU is connected to the serial interface of the IPC 3 of the tested CDU. Then, manually rotate the shaft of the test CDU with the reference CDU installed on it, in any direction by an angle no less than the angular interval of the electric period of the SKVT TO, i.e. for the considered CDU (where the SCWTTO has an electric reduction of 64) by an angle equal to 360 ° / 64 = 5 ° 37 ¹ 30 ¹¹ (see Fig. 2 Example curve of the error of the CDU and the digital correction diagram). The diagram shows that the angular interval corresponding to the electric period of the SECS TO is divided into 2 ⁵ = 32 correction sections, and the number of each correction section is determined by the code of the 5 senior bits of the TO code (7-11 bits of the ADC-VT code). In the process of turning the shaft of the tested CDA, the code from the output of 7-11 bits of the ADC VT 2 is fed to the input of the circuit 5 for generating a code read signal from the ADC VT in the IPC by interruption. Each time, when passing the boundary of the next section, starting from the first, in the circuit 5 for generating the code reading signal from the ADC VT, the code of the correction section number changes in the IPC, which leads to the formation of the interrupt signal at the output of the circuit, which is fed to the single-bit input of the IPC 3.

Микропроцессорный контроллер производит обработку сигнала прерывания, которая заключается в следующем.The microprocessor controller processes the interrupt signal, which is as follows.

МПК считывает через системную шину 6 цифровой код с выхода АЦП ВТ 2 и через вход последовательного интерфейса код с выхода эталонного ЦДУ, производит вычитание кода эталонного ЦДУ из кода АЦП ВТ и полученную разность кодов со знаком (поправку) помещает через системную шину 6 в ячейку энергонезависимой памяти 4 под номером участка коррекции. Поправки в рассматриваемом варианте 20-разрядного ЦДУ будут определяться с дискретностью в 1 угл. с. На этом процесс выявления систематической погрешности ЦДУ и формирование таблицы поправок в энергонезависимой памяти заканчивается, выход эталонного ЦДУ отключается от входа последовательного интерфейса.The IPC reads through the system bus 6 a digital code from the output of the ADC VT 2 and through the input of the serial interface the code from the output of the reference CDU, subtracts the code of the reference CDA from the code of the ADC VT and places the received code difference with a sign (correction) through the system bus 6 into a non-volatile cell memory 4 under the number of the correction section. Corrections in the considered version of the 20-bit CDU will be determined with a resolution of 1 angle. from. On this, the process of identifying the systematic error of the CDU and the formation of the correction table in the non-volatile memory ends, the output of the reference CDU is disconnected from the input of the serial interface.

При работе ЦДУ в штатном режиме МПК 3 в каждом цикле выдачи кода угла по рабочему интерфейсу считывает через системную шину 6 цифровой код с выхода АЦП ВТ 2, анализирует значение кода в 7-11 разрядах (определяет номер участка коррекции), извлекает из ячейки энергонезависимой памяти 4 под этим номером поправку и производит алгебраическое суммирование ее с кодом АЦП ВТ 2. Например, если в момент считывания МПК 3 выходного кода с АЦП ВТ 2 код в 7-11 разрядах будет иметь значение 10101 (см. Фиг. 2), то к выходному коду АЦП ВТ следует добавить 5 единиц младшего разряда, т.е. прибавить 20-разрядный код 00000000000000000101, т.к. на этом участке коррекции погрешность имеет значение минус 5 угл. с.When the CDU is operating in the normal mode of MPK 3, in each cycle of issuing the angle code, it reads through the system bus 6 a digital code from the ADC BT 2 output, analyzes the code value in 7-11 digits (determines the number of the correction section), and extracts non-volatile memory from the cell 4 under this number, the amendment performs algebraic summation of it with the ADC code of VT 2. For example, if at the time of reading the IPC 3 of the output code from the ADC of VT 2, the code in 7-11 digits will have the value 10101 (see Fig. 2), then the output code of the ADC VT should add 5 units of the lowest s to defuse, ie add the 20-bit code 00000000000000000101, because in this correction section, the error is minus 5 ang. from.

Таким образом, введение в состав ЦДУ новых устройств с их определенной взаимосвязью между собой и известными устройствами позволяет получить новое для ЦДУ важное качество - выявление на этапе производства систематической погрешности ЦДУ и ее коррекция в цифровой форме без использования сложного стендового оборудования, что повышает точность ЦДУ. Это новое качество ЦДУ позволяет повысить точность следящих систем позиционирования угла, в которых он может применяться.Thus, the introduction of new devices into the CDA with their certain relationship between themselves and known devices allows obtaining an important quality new for the CDA - identifying the systematic error of the CDA at the production stage and its correction in digital form without using complex bench equipment, which increases the accuracy of the CDA. This new quality of the CDU makes it possible to increase the accuracy of tracking angle positioning systems in which it can be used.

Claims

A digital angle sensor with digital error correction, comprising a two-count induction angle sensor such as a sine-cosine rotary transformer (SEC), consisting of an accurate SECT and a coarse count SEC, whose sine and cosine outputs are connected to the sine and cosine inputs of a two-channel analog-to-digital signal converter SKVT in a tracking type angle code, characterized in that a microprocessor controller with an external system bus controller with support for NAND Flash memory chips and with a serial interface controller for entering the angle code of the reference digital angle sensor, a system bus, non-volatile memory of the NAND Flash type, a circuit for generating a code reading signal from an analog-to-digital converter of SCWT signals to a microprocessor controller for interruption, and the digital output of an analog-to-digital converter of SCTV signals to the angle code is bitwise connected to the microprocessor controller via the system bus, to which the non-volatile NAND Flash memory is also connected, digital outputs N of the highest the bits of the code of the exact reference from the full code of the angle of the analog-to-digital converter of the SCVT signals to the angle code are bitwise connected to the N digital inputs of the circuit for generating the code reading signal from the analog-to-digital converter of signals of the SKVT to the microprocessor controller by interruption, and the single-bit output of the circuit is connected to the single-bit interrupt input microprocessor controller, the angle code of the reference digital angle sensor is fed to the input of the serial interface of the microprocessor controller.