CN102495622A - 位置伺服系统位置环性能测试方法及测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及位置伺服技术，特别涉及位置伺服系统中位置环性能测试方法及测试系统。本发明公开了一种位置伺服系统位置环性能指标的测试方法及测试系统，能够有效快捷地测试出位置伺服系统位置环性能指标，适合于航空、航天、高精度机床等的位置伺服系统研发中的测试和现场的测试。本发明的位置伺服系统位置环性能测试方法及系统，首先向位置伺服系统输入时域测试信号或频域测试信号，然后采集位置伺服系统位置环输出的响应信号，通过对响应信号的分析和计算，可以得到反映其性能的时域性能指标和频域性能指标，可以是具体的参数指标和/或波形曲线。

Description

位置伺服系统位置环性能测试方法及测试系统

技术领域

本发明涉及位置伺服技术，特别涉及位置伺服系统中位置环性能测试方法及测试系统。

背景技术

以快速、精确为目标的位置伺服系统，在航空、航天、高精度机床等领域中发挥着越来越重要作用。位置环是位置伺服系统的最外环，也是位置伺服的最终应用端，与负载紧密相连。位置环的性能直接关系到位置伺服系统的外在应用特性。因而，位置伺服系统位置环性能指标的测试具有重要的意义。

位置伺服系统位置环性能指标测试系统能够对位置伺服系统位置环进行测试与性能评估，能根据需要测试位置伺服系统的时域特性和频域特性，并对位置跟踪误差、调节时间、上升时间、带宽、共振频率点等性能指标进行量化，并根据量化结果对位置伺服系统进行有针对性的调整和改进，使其达到最好性能。例如，当整个位置伺服系统出现共振时，可借助于频率响应曲线来确定共振频率点并设置凹陷滤波器的陷波频率点，从而可以消除共振现象。遗憾的是，现有技术中，除了一些单项指标的测试外，还没有一种比较全面的位置伺服系统测试方法被提出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种位置伺服系统位置环性能指标的测试方法及测试系统，能够有效快捷地测试出位置伺服系统位置环性能指标，适合于航空、航天、高精度机床等的位置伺服系统研发中的测试和现场的测试。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，位置伺服系统位置环性能测试方法，包括如下步骤：

a、向位置环输入时域测试信号；

b、采集所述位置环输出的响应信号；

c、对所述响应信号进行分析计算得到所述位置环的时域性能指标；

d、向位置伺服系统的位置环输入频域测试信号；

e、采集所述位置环输出的响应信号；

f、对所述响应信号进行分析计算得到所述位置环的频域性能指标。

具体的，所述时域测试信号包括阶跃信号、斜坡信号、正弦信号。

具体的，时域性能指标包括上升时间、调节时间、超调量、位置跟踪误差。

具体的，所述频域测试信号包括二进制伪随机信号和调频脉冲扫频信号。

具体的，所述频域性能指标包括频带宽度、谐振峰值、谐振频率。

本发明的位置伺服系统中位置环性能测试系统，包括人机接口模块、测试信号输出模块、响应信号采集模块、数据处理模块和通信传输模块；

所述人机接口模块与数据处理模块连接，用于输入测试参数、运行指令，输出测试结果；

所述测试信号输出模块与数据处理模块连接，根据人机接口模块输入的测试参数，生成测试信号；

所述响应信号采集模块与数据处理模块连接，用于对采集的响应信号进行数字化采样；

所述数据处理模块对采集的信号进行分析计算获得测试结果，并将测试结果通过人机接口模块输出；

所述通信传输模块，用于传输测试信号和响应信号。

具体的，所述测试信号包括时域测试信号和频域测试信号。

更具体的，所述时域测试信号包括阶跃信号、斜坡信号和正弦信号，所述频域测试信号包括二进制伪随机信号和调频脉冲扫频信号。

具体的，所述测试结果包括频域性能指标和时域性能指标。

更具体的，所述频域性能指标包括频带宽度、谐振峰值、谐振频率，所述时域性能指标包括上升时间、调节时间、超调量、位置跟踪误差。

本发明的有益效果是，能够有效快捷地测试位置伺服系统位置环性能指标，适合于航空、航天、高精度机床等的位置伺服系统研发中的测试和现场的测试。

附图说明

图1是实施例的测试系统结构示意图；

图2是实施例的测试流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详细描述本发明的技术方案。

本发明的位置伺服系统位置环性能测试方法，首先向位置伺服系统输入时域测试信号或频域测试信号，然后采集位置伺服系统位置环输出的响应信号，通过对响应信号的分析和计算，可以得到反映其性能的时域性能指标和频域性能指标，可以是具体的参数指标和/或波形曲线。

实施例

图1是位置伺服系统位置环性能指标测试系统结构示意图，其中测试信号输出模块、响应信号采集模块和通信传输模块基于FPGA(可编程门阵列)构成，本例FPGA选用altera公司的CYCLONE II系列芯片EP2C5Q208C8。测试信号输出模块与数据处理模块连接，根据人机接口模块输入的测试参数，生成测试信号。响应信号采集模块与数据处理模块连接，用于对采集的响应信号进行数字化采样。通信传输模块，用于传输测试信号和响应信号，完成与伺服系统的接口、数据格式的转化。通信传输模块主要具有以下两个功能：一是按照位置伺服系统的通信协议接收位置伺服系统输出的响应信号并进行数据格式转化，然后将转化后的响应信号传送到响应信号采集模块；二是接收测试信号输出模块输出的位置测试信号，并按照位置伺服系统的通信协议进行数据格式转化后，向位置伺服系统输出测试信号。

本实施例中，数据处理模块采用DSP作为主控芯片，具有高速处理数据的能力，存储有各种位置测试信号数据，本例DSP采用德州仪器的TMS320F2812商品器件。数据处理模块能够接收响应信号采集模块输出的响应信号数据，并通过高速运行处理获得伺服系统的性能指标参数及响应信号波形。数据处理模块能够根据人机接口模块输入的测试参数，调用相关数据，并向测试信号输出模块传输这些数据。本例数据处理模块具有时域性能指标计算能力和频域性能指标计算能力，分别完成位置伺服系统的时域性能指标和频域性能指标的分析计算。

本例人机接口模块负责测试参数、通信参数的设置输入，以及显示数据处理模块输出的位置伺服系统性能指标，包括响应信号波形、性能指标参数等。

本例测试系统输入位置伺服系统的测试信号，包括用于测试上升时间、调节时间、超调量、位置跟踪误差指标的时域测试信号，如阶跃信号、斜坡信号和正弦信号等；以及用于测试频带宽度、谐振峰值、谐振频率的频域测试信号，包括二进制伪随机信号和调频脉冲扫频信号等。

本例的位置伺服系统位置环性能测试方法流程如图2所示，主要包括以下步骤：

设置测试参数。通过人机接口模块设置测试参数，并将测试参数保存在数据处理模块的存储器中。测试参数的设置主要是测试信号类型的选择及测试信号发送速率的设置。

设置通信参数。通过人机接口模块设置通信参数，并将设置的通信参数储存在数据处理模块中。通信参数的设置主要包括伺服接口类型的选择及相关通信参数的数据格式。数据处理模块集成了多种常用的伺服接口，用户可针对不同的伺服产品来选择伺服接口，并设置相应的通信参数。

向位置环发送测试信号。根据用户选择的测试命令信号类型及设置的发送速率，数据处理模块将存储的位置测试信号数据读取出来，按一定的速率发送到测试信号输出模块生成测试信号，通信传输模块按照位置伺服系统的通信协议，进行数据格式转化后，发送到位置伺服系统。这里测试信号包括时域测试信号和频域测试信号。

采集位置环输出的响应信号。通信传输模块接收位置伺服系统的位置响应信号，进行相应的数据格式转化后，发送到响应信号采集模块进行数据采集，并传输到数据处理模块的存储器中。

分析计算位置伺服系统位置环性能指标。根据测试信号类型及采集到的相应的响应信号，计算位置伺服系统位置环的性能指标，包括时域性能指标和频域性能指标。

参数及波形显示。数据处理模块将计算得到的位置伺服系统位置环性能指标发送到人机接口模块显示。

在本实施例中，计算位置伺服系统位置环性能指标，包括时域性能指标和频域性能指标。时域性能指标主要包括上升时间、调节时间、超调量、位置跟踪误差。

本例时域测试信号为阶跃信号，阶跃信号的设定值为Ps(即阶跃信号的幅值)，各时域性能指标的具体算法如下：

调节时间Ts：首先，找出起始时间t1：从采集的响应信号第一个值开始查找第一次非零值的时刻t1。然后，从采集的位置响应信号中计算出稳态值Pw：若响应信号最终稳定在某一固定值，则该值为稳态值Pw；若响应信号最终是在某个范围内振荡，则取其平均值为稳态值Pw。选择稳态值的某一时刻，从该时刻开始向响应信号的第一个非零值的方向查找，找到响应信号第一次大于Pw×(1+5％)或小于Pw×(1-5％)的时刻t2，则调节时间Ts为

Ts＝t2-t1

上升时间Tr：从采集的位置响应信号的第一个值开始查找第一次到达Pw×10％的时刻t3，继续向后查找第一次到达Pw×90％的时刻t4，则上升时间Tr为

Tr＝t4-t3

超调量σ：从位置响应信号中找出大于稳态值Pw的最大值Pmax，根据下列公式计算超调量：

σ＝(Pmax-Pw)*100/Pw(％)

位置跟踪误差e_ss：e_ss＝(Ps-Pw)/Ps

在本实例中频域性能指标主要包括带宽、谐振频率、谐振峰值，频域测试信号为调频脉冲扫频信号。对于频域性能指标，不能直接从频域响应信号中得到，首先需要对采集到的响应信号进行快速傅立叶变换，得到被测位置伺服系统的幅频特性和相频特性，然后根据幅频特性和相频特性，求取位置伺服系统的频域性能指标，具体的详细计算过程说明如下：

设频域测试信号表达式为：X(f_k)＝a_k+b_kj

数据截取。为了便于快速傅立叶变换的计算，截取频域测试信号X和采集的响应信号Y的前2ⁿ个数据。

分别对频域测试信号X(k)和采集的位置响应信号Y(k)作快速傅立叶变换(其中k＝1，2，3，L，2ⁿ)，可得

X(f_k)＝a_k+b_kj，

Y(f_k)＝c_k+d_kj。

对快速傅立叶变换结果作形式变换：

$X\left(f_k\right)=\sqrt{{a^2}_k+{b^2}_k}{e}^{j{\mathrm{\α}}_k},$ 其中， ${\mathrm{\α}}_k=\arctan \left(\frac{b_k}{a_k}\right),$

$Y\left(f_k\right)=\sqrt{{c^2}_k+{d^2}_k}{e}^{j{\mathrm{\β}}_k},$ 其中， ${\mathrm{\β}}_k=\arctan \left(\frac{d_k}{c_k}\right).$

计算被测位置伺服系统的幅频特性Mag(f_k)和相频特性Pha(f_k)：

$\mathrm{Mag}\left(f_k\right)=\frac{\sqrt{{c^2}_k+{d^2}_k}}{\sqrt{{a^2}_k+{b^2}_k}},$

Pha(f_k)＝β_k-α_k。

根据幅频特性和相频特性，计算频域性能指标：带宽、谐振频率、谐振峰值。

带宽：Mag(f_k)下降到零频值的0.707倍时，对应的频率值f_b为带宽频率，位置伺服系统位置环的带宽为0～f_b；

谐振峰值：从Mag(f_k)的零频值开始向后查找大于零频值的最大值M_r，M_r为谐振峰值；

谐振频率：谐振峰值所对应的频率M_f为谐振频率。

Claims (10)

1.位置伺服系统位置环性能测试方法，包括如下步骤：

a、向位置环输入时域测试信号；

b、采集所述位置环输出的响应信号；

c、对所述响应信号进行分析计算得到所述位置环的时域性能指标；

d、向位置伺服系统的位置环输入频域测试信号；

e、采集所述位置环输出的响应信号；

f、对所述响应信号进行分析计算得到所述位置环的频域性能指标。

2.根据权利要求1所述的位置伺服系统位置环性能测试方法，其特征在于，所述时域测试信号包括阶跃信号、斜坡信号、正弦信号。

3.根据权利要求2所述的位置伺服系统位置环性能测试方法，其特征在于，时域性能指标包括上升时间、调节时间、超调量、位置跟踪误差。

4.根据权利要求1所述的位置伺服系统位置环性能测试方法，其特征在于，所述频域测试信号包括二进制伪随机信号和调频脉冲扫频信号。

5.根据权利要求4所述的位置伺服系统位置环性能测试方法，其特征在于，所述频域性能指标包括频带宽度、谐振峰值、谐振频率。

6.位置伺服系统位置环性能测试系统，其特征在于，包括人机接口模块、测试信号输出模块、响应信号采集模块、数据处理模块和通信传输模块；

所述人机接口模块与数据处理模块连接，用于输入测试参数、运行指令，输出测试结果；

所述测试信号输出模块与数据处理模块连接，根据人机接口模块输入的测试参数，生成测试信号；

所述响应信号采集模块与数据处理模块连接，用于对采集的响应信号进行数字化采样；

所述数据处理模块对采集的信号进行分析计算获得测试结果，并将测试结果通过人机接口模块输出；

所述通信传输模块，用于传输测试信号和响应信号。

7.根据权利要求6所述的位置伺服系统位置环性能测试系统，其特征在于，所述测试信号包括时域测试信号和频域测试信号。

8.根据权利要求7所述的位置伺服系统位置环性能测试系统，其特征在于，所述时域测试信号包括阶跃信号、斜坡信号和正弦信号，所述频域测试信号包括二进制伪随机信号和调频脉冲扫频信号。

9.根据权利要求8所述的位置伺服系统位置环性能测试系统，其特征在于，所述测试结果包括频域性能指标和时域性能指标。

10.根据权利要求8所述的位置伺服系统位置环性能测试系统，其特征在于，所频域性能指标包括频带宽度、谐振峰值、谐振频率，所述时域性能指标包括上升时间、调节时间、超调量、位置跟踪误差。

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