專利名稱：位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能測試方法及測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及位置伺服技術(shù)，特別涉及位置伺服系統(tǒng)中位置環(huán)性能測試方法及測試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
以快速、精確為目標(biāo)的位置伺服系統(tǒng)，在航空、航天、高精度機(jī)床等領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要作用。位置環(huán)是位置伺服系統(tǒng)的最外環(huán)，也是位置伺服的最終應(yīng)用端，與負(fù)載緊密相連。位置環(huán)的性能直接關(guān)系到位置伺服系統(tǒng)的外在應(yīng)用特性。因而，位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能指標(biāo)的測試具有重要的意義。位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能指標(biāo)測試系統(tǒng)能夠?qū)ξ恢盟欧到y(tǒng)位置環(huán)進(jìn)行測試與性能評估，能根據(jù)需要測試位置伺服系統(tǒng)的時(shí)域特性和頻域特性，并對位置跟蹤誤差、調(diào)節(jié)時(shí)間、上升時(shí)間、帶寬、共振頻率點(diǎn)等性能指標(biāo)進(jìn)行量化，并根據(jù)量化結(jié)果對位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行有針對性的調(diào)整和改進(jìn)，使其達(dá)到最好性能。例如，當(dāng)整個(gè)位置伺服系統(tǒng)出現(xiàn)共振時(shí)， 可借助于頻率響應(yīng)曲線來確定共振頻率點(diǎn)并設(shè)置凹陷濾波器的陷波頻率點(diǎn)，從而可以消除共振現(xiàn)象。遺憾的是，現(xiàn)有技術(shù)中，除了一些單項(xiàng)指標(biāo)的測試外，還沒有一種比較全面的位置伺服系統(tǒng)測試方法被提出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是提供一種位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能指標(biāo)的測試方法及測試系統(tǒng)，能夠有效快捷地測試出位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能指標(biāo)，適合于航空、航天、高精度機(jī)床等的位置伺服系統(tǒng)研發(fā)中的測試和現(xiàn)場的測試。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能測試方法，包括如下步驟a、向位置環(huán)輸入時(shí)域測試信號；b、采集所述位置環(huán)輸出的響應(yīng)信號；C、對所述響應(yīng)信號進(jìn)行分析計(jì)算得到所述位置環(huán)的時(shí)域性能指標(biāo)；d、向位置伺服系統(tǒng)的位置環(huán)輸入頻域測試信號；e、采集所述位置環(huán)輸出的響應(yīng)信號；f、對所述響應(yīng)信號進(jìn)行分析計(jì)算得到所述位置環(huán)的頻域性能指標(biāo)。具體的，所述時(shí)域測試信號包括階躍信號、斜坡信號、正弦信號。具體的，時(shí)域性能指標(biāo)包括上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、位置跟蹤誤差。具體的，所述頻域測試信號包括二進(jìn)制偽隨機(jī)信號和調(diào)頻脈沖掃頻信號。具體的，所述頻域性能指標(biāo)包括頻帶寬度、諧振峰值、諧振頻率。本發(fā)明的位置伺服系統(tǒng)中位置環(huán)性能測試系統(tǒng)，包括人機(jī)接口模塊、測試信號輸出模塊、響應(yīng)信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信傳輸模塊；所述人機(jī)接口模塊與數(shù)據(jù)處理模塊連接，用于輸入測試參數(shù)、運(yùn)行指令，輸出測試結(jié)果；所述測試信號輸出模塊與數(shù)據(jù)處理模塊連接，根據(jù)人機(jī)接口模塊輸入的測試參數(shù)，生成測試信號；所述響應(yīng)信號采集模塊與數(shù)據(jù)處理模塊連接，用于對采集的響應(yīng)信號進(jìn)行數(shù)字化采樣；所述數(shù)據(jù)處理模塊對采集的信號進(jìn)行分析計(jì)算獲得測試結(jié)果，并將測試結(jié)果通過人機(jī)接口模塊輸出；所述通信傳輸模塊，用于傳輸測試信號和響應(yīng)信號。具體的，所述測試信號包括時(shí)域測試信號和頻域測試信號。更具體的，所述時(shí)域測試信號包括階躍信號、斜坡信號和正弦信號，所述頻域測試信號包括二進(jìn)制偽隨機(jī)信號和調(diào)頻脈沖掃頻信號。具體的，所述測試結(jié)果包括頻域性能指標(biāo)和時(shí)域性能指標(biāo)。更具體的，所述頻域性能指標(biāo)包括頻帶寬度、諧振峰值、諧振頻率，所述時(shí)域性能指標(biāo)包括上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、位置跟蹤誤差。本發(fā)明的有益效果是，能夠有效快捷地測試位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能指標(biāo)，適合于航空、航天、高精度機(jī)床等的位置伺服系統(tǒng)研發(fā)中的測試和現(xiàn)場的測試。


圖1是實(shí)施例的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實(shí)施例的測試流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明的位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能測試方法，首先向位置伺服系統(tǒng)輸入時(shí)域測試信號或頻域測試信號，然后采集位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)輸出的響應(yīng)信號，通過對響應(yīng)信號的分析和計(jì)算，可以得到反映其性能的時(shí)域性能指標(biāo)和頻域性能指標(biāo)，可以是具體的參數(shù)指標(biāo)和/或波形曲線。實(shí)施例圖1是位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能指標(biāo)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中測試信號輸出模塊、響應(yīng)信號采集模塊和通信傳輸模塊基于FPGA (可編程門陣列)構(gòu)成，本例FPGA選用 altera公司的CYCLONE II系列芯片EP2C5Q208C8。測試信號輸出模塊與數(shù)據(jù)處理模塊連接，根據(jù)人機(jī)接口模塊輸入的測試參數(shù)，生成測試信號。響應(yīng)信號采集模塊與數(shù)據(jù)處理模塊連接，用于對采集的響應(yīng)信號進(jìn)行數(shù)字化采樣。通信傳輸模塊，用于傳輸測試信號和響應(yīng)信號，完成與伺服系統(tǒng)的接口、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化。通信傳輸模塊主要具有以下兩個(gè)功能一是按照位置伺服系統(tǒng)的通信協(xié)議接收位置伺服系統(tǒng)輸出的響應(yīng)信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，然后將轉(zhuǎn)化后的響應(yīng)信號傳送到響應(yīng)信號采集模塊；二是接收測試信號輸出模塊輸出的位置測試信號，并按照位置伺服系統(tǒng)的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化后，向位置伺服系統(tǒng)輸出測試信號。本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)處理模塊采用DSP作為主控芯片，具有高速處理數(shù)據(jù)的能力，存儲有各種位置測試信號數(shù)據(jù)，本例DSP采用德州儀器的TMS320F2812商品器件。數(shù)據(jù)處理模塊能夠接收響應(yīng)信號采集模塊輸出的響應(yīng)信號數(shù)據(jù)，并通過高速運(yùn)行處理獲得伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)參數(shù)及響應(yīng)信號波形。數(shù)據(jù)處理模塊能夠根據(jù)人機(jī)接口模塊輸入的測試參數(shù)， 調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)，并向測試信號輸出模塊傳輸這些數(shù)據(jù)。本例數(shù)據(jù)處理模塊具有時(shí)域性能指標(biāo)計(jì)算能力和頻域性能指標(biāo)計(jì)算能力，分別完成位置伺服系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)和頻域性能指標(biāo)的分析計(jì)算。本例人機(jī)接口模塊負(fù)責(zé)測試參數(shù)、通信參數(shù)的設(shè)置輸入，以及顯示數(shù)據(jù)處理模塊輸出的位置伺服系統(tǒng)性能指標(biāo)，包括響應(yīng)信號波形、性能指標(biāo)參數(shù)等。本例測試系統(tǒng)輸入位置伺服系統(tǒng)的測試信號，包括用于測試上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、 超調(diào)量、位置跟蹤誤差指標(biāo)的時(shí)域測試信號，如階躍信號、斜坡信號和正弦信號等；以及用于測試頻帶寬度、諧振峰值、諧振頻率的頻域測試信號，包括二進(jìn)制偽隨機(jī)信號和調(diào)頻脈沖掃頻信號等。本例的位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能測試方法流程如圖2所示，主要包括以下步驟設(shè)置測試參數(shù)。通過人機(jī)接口模塊設(shè)置測試參數(shù)，并將測試參數(shù)保存在數(shù)據(jù)處理模塊的存儲器中。測試參數(shù)的設(shè)置主要是測試信號類型的選擇及測試信號發(fā)送速率的設(shè)置。設(shè)置通信參數(shù)。通過人機(jī)接口模塊設(shè)置通信參數(shù)，并將設(shè)置的通信參數(shù)儲存在數(shù)據(jù)處理模塊中。通信參數(shù)的設(shè)置主要包括伺服接口類型的選擇及相關(guān)通信參數(shù)的數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)處理模塊集成了多種常用的伺服接口，用戶可針對不同的伺服產(chǎn)品來選擇伺服接口，并設(shè)置相應(yīng)的通信參數(shù)。向位置環(huán)發(fā)送測試信號。根據(jù)用戶選擇的測試命令信號類型及設(shè)置的發(fā)送速率， 數(shù)據(jù)處理模塊將存儲的位置測試信號數(shù)據(jù)讀取出來，按一定的速率發(fā)送到測試信號輸出模塊生成測試信號，通信傳輸模塊按照位置伺服系統(tǒng)的通信協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化后，發(fā)送到位置伺服系統(tǒng)。這里測試信號包括時(shí)域測試信號和頻域測試信號。采集位置環(huán)輸出的響應(yīng)信號。通信傳輸模塊接收位置伺服系統(tǒng)的位置響應(yīng)信號， 進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化后，發(fā)送到響應(yīng)信號采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊的存儲器中。分析計(jì)算位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能指標(biāo)。根據(jù)測試信號類型及采集到的相應(yīng)的響應(yīng)信號，計(jì)算位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)的性能指標(biāo)，包括時(shí)域性能指標(biāo)和頻域性能指標(biāo)。參數(shù)及波形顯示。數(shù)據(jù)處理模塊將計(jì)算得到的位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能指標(biāo)發(fā)送到人機(jī)接口模塊顯示。在本實(shí)施例中，計(jì)算位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能指標(biāo)，包括時(shí)域性能指標(biāo)和頻域性能指標(biāo)。時(shí)域性能指標(biāo)主要包括上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、位置跟蹤誤差。本例時(shí)域測試信號為階躍信號，階躍信號的設(shè)定值為I^s (即階躍信號的幅值)，各時(shí)域性能指標(biāo)的具體算法如下調(diào)節(jié)時(shí)間Ts 首先，找出起始時(shí)間tl 從采集的響應(yīng)信號第一個(gè)值開始查找第一次非零值的時(shí)刻tl。然后，從采集的位置響應(yīng)信號中計(jì)算出穩(wěn)態(tài)值Pw 若響應(yīng)信號最終穩(wěn)定在某一固定值，則該值為穩(wěn)態(tài)值Pw ；若響應(yīng)信號最終是在某個(gè)范圍內(nèi)振蕩，則取其平均值為穩(wěn)態(tài)值Pw。選擇穩(wěn)態(tài)值的某一時(shí)刻，從該時(shí)刻開始向響應(yīng)信號的第一個(gè)非零值的方向查找，找到響應(yīng)信號第一次大于PwX (1+5% )或小于PwX (1-5% )的時(shí)刻t2，則調(diào)節(jié)時(shí)間 Ts為Ts = t2-tl上升時(shí)間Tr 從采集的位置響應(yīng)信號的第一個(gè)值開始查找第一次到達(dá)PwX 10% 的時(shí)刻t3，繼續(xù)向后查找第一次到達(dá)PwX90%的時(shí)刻t4，則上升時(shí)間Tr為Tr = t4-t3超調(diào)量σ 從位置響應(yīng)信號中找出大于穩(wěn)態(tài)值Pw的最大值Pmax，根據(jù)下列公式計(jì)
算超調(diào)量σ = (Pmax-Pw) *100/Pw(% )位置跟蹤誤差 ess ess = (Ps-Pw) /Ps在本實(shí)例中頻域性能指標(biāo)主要包括帶寬、諧振頻率、諧振峰值，頻域測試信號為調(diào)頻脈沖掃頻信號。對于頻域性能指標(biāo)，不能直接從頻域響應(yīng)信號中得到，首先需要對采集到的響應(yīng)信號進(jìn)行快速傅立葉變換，得到被測位置伺服系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性，然后根據(jù)幅頻特性和相頻特性，求取位置伺服系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)，具體的詳細(xì)計(jì)算過程說明如下設(shè)頻域測試信號表達(dá)式為X(fk) = ak+bkj數(shù)據(jù)截取。為了便于快速傅立葉變換的計(jì)算，截取頻域測試信號X和采集的響應(yīng)信號Y的前2"個(gè)數(shù)據(jù)。分別對頻域測試信號X (k)和采集的位置響應(yīng)信號Y (k)作快速傅立葉變換(其中 k = 1,2,3, L，2n)，可得X(fk) = ak+bkj,Y(fk) = ck+dkj。對快速傅立葉變換結(jié)果作形式變換
權(quán)利要求
1.位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能測試方法，包括如下步驟a、向位置環(huán)輸入時(shí)域測試信號；b、采集所述位置環(huán)輸出的響應(yīng)信號；C、對所述響應(yīng)信號進(jìn)行分析計(jì)算得到所述位置環(huán)的時(shí)域性能指標(biāo)；d、向位置伺服系統(tǒng)的位置環(huán)輸入頻域測試信號；e、采集所述位置環(huán)輸出的響應(yīng)信號；f、對所述響應(yīng)信號進(jìn)行分析計(jì)算得到所述位置環(huán)的頻域性能指標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能測試方法，其特征在于，所述時(shí)域測試信號包括階躍信號、斜坡信號、正弦信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能測試方法，其特征在于，時(shí)域性能指標(biāo)包括上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、位置跟蹤誤差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能測試方法，其特征在于，所述頻域測試信號包括二進(jìn)制偽隨機(jī)信號和調(diào)頻脈沖掃頻信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能測試方法，其特征在于，所述頻域性能指標(biāo)包括頻帶寬度、諧振峰值、諧振頻率。
6.位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能測試系統(tǒng)，其特征在于，包括人機(jī)接口模塊、測試信號輸出模塊、響應(yīng)信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信傳輸模塊；所述人機(jī)接口模塊與數(shù)據(jù)處理模塊連接，用于輸入測試參數(shù)、運(yùn)行指令，輸出測試結(jié)果；所述測試信號輸出模塊與數(shù)據(jù)處理模塊連接，根據(jù)人機(jī)接口模塊輸入的測試參數(shù)，生成測試信號；所述響應(yīng)信號采集模塊與數(shù)據(jù)處理模塊連接，用于對采集的響應(yīng)信號進(jìn)行數(shù)字化采樣；所述數(shù)據(jù)處理模塊對采集的信號進(jìn)行分析計(jì)算獲得測試結(jié)果，并將測試結(jié)果通過人機(jī)接口模塊輸出；所述通信傳輸模塊，用于傳輸測試信號和響應(yīng)信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能測試系統(tǒng)，其特征在于，所述測試信號包括時(shí)域測試信號和頻域測試信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能測試系統(tǒng)，其特征在于，所述時(shí)域測試信號包括階躍信號、斜坡信號和正弦信號，所述頻域測試信號包括二進(jìn)制偽隨機(jī)信號和調(diào)頻脈沖掃頻信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能測試系統(tǒng)，其特征在于，所述測試結(jié)果包括頻域性能指標(biāo)和時(shí)域性能指標(biāo)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能測試系統(tǒng)，其特征在于，所頻域性能指標(biāo)包括頻帶寬度、諧振峰值、諧振頻率，所述時(shí)域性能指標(biāo)包括上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、位置跟蹤誤差。
全文摘要
本發(fā)明涉及位置伺服技術(shù)，特別涉及位置伺服系統(tǒng)中位置環(huán)性能測試方法及測試系統(tǒng)。本發(fā)明公開了一種位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能指標(biāo)的測試方法及測試系統(tǒng)，能夠有效快捷地測試出位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能指標(biāo)，適合于航空、航天、高精度機(jī)床等的位置伺服系統(tǒng)研發(fā)中的測試和現(xiàn)場的測試。本發(fā)明的位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)性能測試方法及系統(tǒng)，首先向位置伺服系統(tǒng)輸入時(shí)域測試信號或頻域測試信號，然后采集位置伺服系統(tǒng)位置環(huán)輸出的響應(yīng)信號，通過對響應(yīng)信號的分析和計(jì)算，可以得到反映其性能的時(shí)域性能指標(biāo)和頻域性能指標(biāo)，可以是具體的參數(shù)指標(biāo)和/或波形曲線。
文檔編號G05B23/02GK102495622SQ20111038961
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者劉霞, 周虎, 陳勇, 黃琦 申請人:電子科技大學(xué)