一种闭环控制圆光栅角度分度测量装置

　　1引言

　　光学分度头的分度精度一般在角秒量级，并且精确转动角度的获得很难控制。如要进行角秒及其以下量级角度标定，需和高精度的光电自准直仪结合，且操作复杂。为了角秒及以下量级角度标定的需要，研制高精密角度分度装置。该装置以圆光栅测量系统进行转动角度的检测，为了实现零误差分度定位，分度控制采用闭环自动控制系统。整个测量与控制系统功能由计算机完成，可通过操作画面自动完成角度的分度控制与测量。

　　2装置总体结构及系统构成

　　图1为装置结构示意图。采用永磁直流力矩电机驱动精密轴系主轴转动，以圆光栅测量系统检测主轴的转动角度。圆光栅、力矩电机、分度盘固定在主轴上，精密轴系的各组成部分都紧密地布t在一个整体式的轴架内。图2为系统测控原理框图，它是由数字位置环、模拟速度环和模拟电流环三个环路组成的闭环定位控制系统。位置环由初始设定的数字量、速度　　环、电流环、圆光栅测角系统输出的反馈数字量组成。

　　由于控制系统采用闭环结构，因而决定系统的分度定位精度的是圆光栅检测精度和控制系统精度。机械传动装置的传动误差只影响整个装t的速度稳定性。采用英国Renishaw公司的增量式圆光栅RGH 20B及其100倍细分处理装置。在本系统中，圆光栅输出一个脉冲当量对应角度为0. 206角秒。

　　3角度分度的自动定位控制

　　闭环控制系统的模拟驱动器采用电流环，以实现直接转矩控制.精密角度分度定位过程分为四个阶段:第一阶段为加速阶段，主轴做匀加速运动，直到达到一定的角速度为止;第二阶段为稳速运行阶段，主轴以一定的角速度朝目标角度运动;第三阶段为阻尼振荡阶段，到达目标后，由于惯性主轴继续运动，控制系统进入位置锁定状态，以消除超调量;第四个阶段为静止阶段，装置停止运动，处于角度锁定状态。

　　与目标值有一定偏差的实际角度控制响应曲线如图3所示。控制调整时间在2s以内，系统略有超调，角度控制精度为1个计量脉冲，基本上实现了零误差定位。

　　4系统的非线性误差及修正

　　采用测量不确定度为0. 05"的德国HR型光电自准直仪，作为标准自准直仪标定本装置的角度示值和实际角度之间的一致性.实验中发现，在几十角秒的小角度范围内，本装置输出的转动角度和光电自准直仪测得的数据符合很好。转动角度较大时，有误差出现，最大达2"多。随着角度的进一步增大，误差又变小，有周期性。两条测量数据曲线周期性相交。它们　　的差值和脉冲数之间的关系如图4所示，偏差值的周期为400个脉冲数.据此构建误差修正数学模型，对装置输出角度值的非线性进行修正。经中国计量科学研究院检定，在士5°的测量范围内。