一種適用于多極旋變的高精度編碼器跳碼監(jiān)測(cè)評(píng)估方法

侯 錦，王 鵬

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第39 研究所，陜西西安 710065；2.陜西省天線與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

利用多極旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度傳感器的軸角編碼器廣泛應(yīng)用于各種測(cè)控、遙測(cè)、遙感和通信天線，對(duì)于衛(wèi)星測(cè)控、遙測(cè)接收和衛(wèi)星通信軸角編碼器讀取多極旋變的精通道和粗通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，獲得滿足測(cè)角精度要求及指向控制的高精度的角度數(shù)據(jù)[1-8]。

多極旋轉(zhuǎn)變壓器是一種獲得天線角度的傳感器設(shè)備，可以提供較高的角度分辨精度。軸角編碼器通過(guò)采集旋轉(zhuǎn)變壓器的返回信號(hào)，經(jīng)過(guò)編碼芯片的解碼，組合不同通道的采樣值獲得天線運(yùn)動(dòng)軸上的絕對(duì)位置。它是天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制和完成測(cè)角任務(wù)的重要設(shè)備。

角度跳碼是使用多極旋轉(zhuǎn)變壓器編碼經(jīng)常遇到的問(wèn)題，角度組合、安裝結(jié)構(gòu)、旋變或者旋變編碼信號(hào)采集通路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)均可觸發(fā)跳碼，此時(shí)設(shè)備處于故障狀態(tài)，不能進(jìn)行角度閉環(huán)，對(duì)于遙測(cè)接收和衛(wèi)星測(cè)控中的角度引導(dǎo)工作方式將不能工作，引起目標(biāo)丟失、數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致工作異?；蛉蝿?wù)失敗。由于缺乏對(duì)于角度編碼的監(jiān)測(cè)，設(shè)備狀態(tài)惡化到一定程度才出現(xiàn)故障，角度跳碼常常作為一種突發(fā)故障，對(duì)于設(shè)備和任務(wù)影響大、危害大[9-12]。

1 多極旋變的高精度編碼原理

多極旋轉(zhuǎn)變壓器是由一對(duì)極旋轉(zhuǎn)變壓器組成的粗測(cè)量通道和P對(duì)多極旋轉(zhuǎn)變壓器組成的精測(cè)量通道組成，P值越大，極對(duì)數(shù)越多。高精度編碼器使用多極旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行角度位置測(cè)量以提供高精度的編碼，為保證編碼精度，測(cè)控站多選擇64 極的旋變作為編碼感應(yīng)器件。

以多極正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器為測(cè)角元件，高精度編碼器使用RDC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)正、余弦模擬電信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的變換，根據(jù)數(shù)字化編碼位數(shù)精度匹配關(guān)系，獲得方位軸、俯仰軸位置角度編碼。

編碼過(guò)程為激磁信號(hào)發(fā)生電路的振蕩器經(jīng)過(guò)功率放大器將輸出信號(hào)作旋變的激磁信號(hào)源，并通過(guò)調(diào)整電路給RDC 轉(zhuǎn)換電路作基準(zhǔn)信號(hào)，RDC 器件將來(lái)自旋變的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字角度信號(hào)。單片機(jī)CPU 負(fù)責(zé)角度數(shù)據(jù)的處理，讀取的二進(jìn)制數(shù)字角度原始信息，依據(jù)角度編碼規(guī)則（編碼角度范圍與采樣位數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系）對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，分別得到系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)旋變對(duì)應(yīng)的角度信息。最后通過(guò)數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)按照接口要求送至外部設(shè)備，如圖1所示。

圖1 編碼器組成

為獲得滿足精度要求并提供測(cè)量坐標(biāo)系內(nèi)的角度值,在編碼的過(guò)程中需要進(jìn)行粗碼和精碼的角度組合以及編碼零值校正。

角度組合模塊在每個(gè)控制周期中根據(jù)旋變極數(shù)和編碼精度要求將RDC 采樣編碼得到的二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的編碼位數(shù)要求,進(jìn)行精粗通道的組合，形成覆蓋運(yùn)動(dòng)軸（如轉(zhuǎn)臺(tái)式天線的方位和俯仰軸）運(yùn)行范圍的角度值。零值校正模塊根據(jù)初始化讀取的角度零值對(duì)編碼后的角度值進(jìn)行角度標(biāo)定的修正，得到滿足測(cè)量坐標(biāo)系要求的系統(tǒng)軸系工作角度值。

以極對(duì)數(shù)為1∶64 的多極旋轉(zhuǎn)變壓器為例，粗通道為1 對(duì)極，精通道為64 對(duì)極，轉(zhuǎn)子在空間繞軸旋轉(zhuǎn)一周，定子繞組中的粗通道電勢(shì)則按正、余弦規(guī)律交變一周，而精通道的電勢(shì)則按正、余弦規(guī)律交變64 周，粗通道輸出電壓的有效值變化周期為360°,而精通道的輸出電壓有效值變化周期為360°/64=5.625°。

根據(jù)設(shè)備編碼精度需要和旋變極數(shù)，采樣RDC的二進(jìn)制數(shù)與精粗角度產(chǎn)生對(duì)應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，對(duì)精粗?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行組合，獲得需要的角度值。在組合的過(guò)程中，由于旋變安裝、傳輸線路等因素，精粗?jǐn)?shù)據(jù)存在一定的不同步，這里稱之為相位差，當(dāng)差值異常時(shí)將產(chǎn)生角度組合匹配異常，可引起跳碼。

2 多極旋變的編碼評(píng)估方法

根據(jù)前文的分析,精碼和粗碼的相位關(guān)系即相位差可作為跳碼實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特征項(xiàng)，依據(jù)組合編碼的原理，相位差還可作為故障分析、狀態(tài)評(píng)估的特征項(xiàng)，系統(tǒng)通過(guò)采集角度數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)并根據(jù)其組合方式，對(duì)原始數(shù)據(jù)和相位差進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)特征項(xiàng)的期望值和實(shí)際采集、計(jì)算數(shù)值之間作差生成殘差信號(hào)，并用殘差信號(hào)表征相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀態(tài)的偏差，基于此殘差即可對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行判斷[9-14]，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)故障診斷、評(píng)估模式

跳碼評(píng)估預(yù)警方法主要功能為通過(guò)對(duì)旋變精、粗采樣編碼的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，在特征項(xiàng)相位差的基礎(chǔ)上結(jié)合編碼模型，獲得當(dāng)前編碼的狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化的規(guī)律和趨勢(shì)，完成編碼、監(jiān)測(cè)、評(píng)估和由相位匹配產(chǎn)生跳碼的預(yù)警。通過(guò)對(duì)測(cè)量計(jì)算產(chǎn)生的處理結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，并在編碼過(guò)程中對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)分析形成數(shù)據(jù)變化的規(guī)律和趨勢(shì)，作為模型參數(shù)，經(jīng)過(guò)模型和參數(shù)對(duì)比得出結(jié)果。測(cè)量數(shù)據(jù)在編碼器的掉電可存儲(chǔ)器件中進(jìn)行存儲(chǔ)，以便于在編碼過(guò)程中進(jìn)行讀取和分析比對(duì)。

對(duì)于設(shè)備首先需要以一個(gè)正常的狀態(tài)作為初始狀態(tài)，以此為基礎(chǔ)，對(duì)設(shè)備其后的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估。以64 極旋變?yōu)槔?，根?jù)編碼精粗?jǐn)?shù)據(jù)組合原理，360°被劃分為64 個(gè)編碼段，在每個(gè)編碼段內(nèi)，粗碼角度與精碼角度值對(duì)應(yīng),并由精碼提供更高精度的編碼數(shù)值，可以取粗碼在64 個(gè)編碼段上的角度值，與精碼值比較,計(jì)算兩者的角度差,并將該值歸一化到以0～360°表示的相位值,這樣就計(jì)算出了粗碼對(duì)精碼的相位差。

在整個(gè)編碼范圍內(nèi)測(cè)量并記錄Φ值，形成一組Φ（Φ1～Φn），Φ的采樣點(diǎn)數(shù)不少于編碼范圍對(duì)于5.625的整數(shù)倍，根據(jù)硬件設(shè)計(jì)提供的存儲(chǔ)空間確定采樣點(diǎn)數(shù)，提高采樣密度可增加分析評(píng)估對(duì)不同原因引起角度跳變的適應(yīng)性。對(duì)整個(gè)Φ的數(shù)據(jù)隊(duì)列，根據(jù)Φ的最大值和最小值確定用于設(shè)備初始編碼的修正值Φ0，一般來(lái)說(shuō)由于結(jié)構(gòu)加工及安裝的不同心，產(chǎn)生的相位差為近似的正弦曲線，其曲線越平坦則表明同心度越好，鏈路相位的一致性較好，如圖3、圖4所示。

圖3 粗精相位差（方位支路）

圖4 粗精相位差（俯仰支路）

在系統(tǒng)編碼測(cè)試和調(diào)試階段，一般會(huì)對(duì)精粗組合時(shí)的相位進(jìn)行疊加數(shù)值修正,通過(guò)填入一個(gè)固定的Φ0，對(duì)精粗組合的角度進(jìn)行整體修正，可使該曲線位于相位180°位置，使角度組合時(shí)上下相位處于裕度最大的位置，以使設(shè)備在初始狀態(tài)下在任意位置的角度組合滿足編碼規(guī)則不發(fā)生跳碼，并保證系統(tǒng)對(duì)于可能產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形、傳輸相位變化等問(wèn)題具有最大的適應(yīng)性，Φ0一般可取最大與最小值的均值。

如圖5 所示相位差不滿足組合要求，對(duì)其進(jìn)行相位修正，疊加一個(gè)相位值使初始相位差滿足要求，如圖6 所示。

圖5 修正前粗精相位差（方位支路）

在此基礎(chǔ)上獲得修正Φ的數(shù)據(jù)隊(duì)列在編碼范圍（如方位為0～360°、俯仰為0～180°）角度上的相位差值Φi和角度值θi，作為設(shè)備評(píng)估的初始參考值，作為系統(tǒng)進(jìn)行條碼監(jiān)測(cè)、評(píng)估和預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)讀出并在設(shè)備運(yùn)行編碼時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)相位計(jì)算并比對(duì)。

圖6 修正后粗精相位差（方位支路）

在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，根據(jù)讀取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前精、粗采樣編碼的相位來(lái)對(duì)編碼原始信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，當(dāng)前精、粗采樣編碼的相位值Φj與初始記錄的Φ隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合計(jì)算當(dāng)前的理論相位差ΦT，計(jì)算兩者的差值，同時(shí)以ΦT作為基準(zhǔn)計(jì)算可能產(chǎn)生跳碼的相位門(mén)限ΦΔ，最后借助精粗角度變化協(xié)助進(jìn)行預(yù)警。考慮到編碼設(shè)備為小型化嵌入式系統(tǒng)，其計(jì)算和存儲(chǔ)有一定的限制，并且擬合精度不需要很高，保持在1 度的分辨率即可，因此擬合方法可采用常用的線性擬合，如下：

其中，Φ為相位差，θ為角度；可根據(jù)計(jì)算評(píng)估給出設(shè)備狀態(tài)：

1）健康：ΔΦ小于門(mén)限的20%；

2）正常：ΔΦ小于門(mén)限的80%，大于門(mén)限的20%；

3）異常：ΔΦ小于門(mén)限的100%，大于門(mén)限的80%；

4）故障：ΔΦ大于門(mén)限的100%。

3 工程應(yīng)用和編碼器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

由于結(jié)構(gòu)變形、設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、電纜短線或老化引起的跳碼均可在粗、精的相位差上表現(xiàn)出來(lái)。目前,這種方法已在包括二代導(dǎo)航在內(nèi)的多套固定和車(chē)載測(cè)控、遙測(cè)設(shè)備上進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證并開(kāi)展了工程應(yīng)用。這些設(shè)備的天線控制單元利用串行接口讀取編碼設(shè)備的粗支路和精支路的原始數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精粗?jǐn)?shù)據(jù)組合,在對(duì)精粗通道的相位差進(jìn)行計(jì)算和分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)編碼狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、相位曲線的回執(zhí)及修正值的確定。

通過(guò)該方法已診斷并解決了多類跳碼故障，在設(shè)備日常運(yùn)行中對(duì)相位變化趨勢(shì)的持續(xù)監(jiān)測(cè)，可有效對(duì)編碼跳碼進(jìn)行評(píng)估和預(yù)警，并對(duì)突發(fā)的編碼跳碼故障進(jìn)行報(bào)警和診斷。

通過(guò)在嵌入式高精度編碼器中集成該方法使常規(guī)的編碼器具備評(píng)估、預(yù)警和故障診斷的能力，利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警等健康管理功能；同時(shí)利用編碼器對(duì)外的數(shù)字接口，向外部設(shè)備上報(bào)相關(guān)的評(píng)估預(yù)測(cè)信息，可支持上位機(jī)及遠(yuǎn)程評(píng)估、預(yù)測(cè)和診斷[13-15]，是天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)健康管理功能的基礎(chǔ)。其主要硬件組成及軟件擴(kuò)展如圖7 所示。

圖7 主要硬件組成及軟件擴(kuò)展

在高精度編碼器設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)跳碼評(píng)估方法對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求選擇掉電存儲(chǔ)器件的容量，以每度一點(diǎn)的記錄采集為例，360 點(diǎn)的相位存儲(chǔ)需要的容量約為720 Byte，在硬件設(shè)計(jì)上可利用現(xiàn)有參數(shù)存儲(chǔ)的掉電存儲(chǔ)數(shù)據(jù)接口按需擴(kuò)展存儲(chǔ)容量。軟件監(jiān)測(cè)與評(píng)估預(yù)警功能通過(guò)增加評(píng)估預(yù)警軟件模塊，在編碼周期中將相位基于模型的估算與實(shí)際計(jì)算進(jìn)行比對(duì)，這樣在不改變?cè)懈呔染幋a器的硬件結(jié)構(gòu)、不影響原有軟件功能和流程的前提下實(shí)現(xiàn)功能的快速部署[16-17]。

軟件在讀取精碼和粗碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)組合成滿足精度要求的角度時(shí)，可在精粗碼組合前，增加一個(gè)模塊，用于計(jì)算精碼和粗碼的相位差，并與初始的正常相位進(jìn)行比對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)在編碼器工作過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行角度跳碼監(jiān)測(cè)和預(yù)警，其工作流程見(jiàn)圖8，模塊可生成編碼狀態(tài)標(biāo)志，可作為編碼狀態(tài)的一部分向外部輸出。標(biāo)志為報(bào)警時(shí)，由天線控制單元根據(jù)標(biāo)志決定采取哪些保護(hù)措施；當(dāng)輸出為角度可用時(shí)，編碼器程序按照原有設(shè)計(jì)流程執(zhí)行；在進(jìn)行實(shí)時(shí)相位計(jì)算的過(guò)程中，還可根據(jù)編碼原理，對(duì)實(shí)際的編碼相位裕度進(jìn)行比較和記錄，當(dāng)裕度小于門(mén)限時(shí)，表明需要對(duì)該編碼支路上的旋變、線路、結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的相差進(jìn)行調(diào)整并據(jù)此進(jìn)行維護(hù)檢修[18-19]。

4 結(jié)束語(yǔ)

多極旋變的高精度編碼器的跳碼評(píng)估方法通過(guò)對(duì)編碼原始數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，可以對(duì)設(shè)備當(dāng)前的編碼狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，對(duì)故障進(jìn)行隔離和定位，利用與預(yù)警門(mén)限的比判實(shí)現(xiàn)對(duì)可能發(fā)展為跳碼的故障進(jìn)行預(yù)警，有效解決編碼器角度跳碼這一突發(fā)故障問(wèn)題。

編碼設(shè)備使用者可以通過(guò)評(píng)估和預(yù)警數(shù)據(jù)，在日常運(yùn)行中及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查和維護(hù)，避免在任務(wù)或者日常運(yùn)行中出現(xiàn)跳碼故障，實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)防性維修，適應(yīng)當(dāng)前設(shè)備使用和維護(hù)需求。針對(duì)多極旋變的高精度編碼器的跳碼評(píng)估方法用于高精度編碼器可保證編碼精度和原有各項(xiàng)功能、性能的前提下，解決編碼設(shè)備由于安裝不合格、長(zhǎng)期運(yùn)行、突發(fā)故障等導(dǎo)致的編碼器角度跳變問(wèn)題，基于編碼原理、數(shù)據(jù)分析和故障模型，實(shí)現(xiàn)編碼監(jiān)測(cè)和評(píng)估預(yù)警。為工程應(yīng)用提供了一種低成本、易實(shí)現(xiàn)且高效的方案。