CN103513123A

CN103513123A - 一种测量伺服驱动器带宽的装置和方法

Info

Publication number: CN103513123A
Application number: CN201210220803.9A
Authority: CN
Inventors: 王倩; 邢建辉; 卓越; 李�浩; 付俊华; 唐伟龙
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2032-06-28
Also published as: CN103513123B

Abstract

本发明的目的在于提供一种测量电机驱动器的带宽的装置，包括：微机械陀螺，微机械陀螺的敏感轴与电机的轴向相平行；信号发生器，用于向电机驱动器发送正弦波指令信号；信号接收器，用于接收微机械陀螺的反馈信号；以及运算器，用于将正弦波指令信号的振幅和相位与对应的反馈信号的振幅和相位作比较，求出带宽。本发明的目的在于提供一种使用上述测量电机驱动器的带宽的方法。

Description

一种测量伺服驱动器带宽的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测量伺服驱动器带的装置和方法，尤其涉及一种借助微机械陀螺测量伺服驱动器带宽的装置和方法。

背景技术

伺服驱动器的带宽对于伺服驱动器来说是一个重要的技术参数。生产商将向用户提供其销售的伺服驱动器的带宽数据。同时在研发过程中，带宽也是经常被测量的数据。

根据AC伺服驱动器通用技术要求（JB T 10184-2000），伺服驱动器带宽由以下定义。将一个正弦波的信号指令发给伺服驱动器，通过电机的编码器的返回的正弦波信号计算带宽。当返回的正弦波的振幅衰减为指令正弦波的振幅的0.707倍，相对应的返回正弦波的频率称为-3dB带宽。当返回正弦波的相位比指令正弦波的相位延迟90度时，相对应的返回正弦波的频率称为-90度相移带宽。

现有技术中，通常在电机上连接编码器，利用编码器返回的反馈信号来计算伺服驱动器的带宽。一种常用的方法是运用频谱分析仪发出激励信号并接收反馈信号来测带宽。频谱分析仪是测各种装置中的频率响应的通用仪器。分析仪发出激励信号，然后接收反馈信号。通过以上两个信号，分析仪得到了伺服驱动器的反馈频率信息，其中，包括带宽信息。图1为一个现有的运用频谱分析仪的带宽测试装置的示意图。有些高端伺服驱动器自带频率反馈分析软件。高端伺服驱动器的PC调试界面通过电机驱动器对伺服电机发出激励信号并接收来自电机上编码器的反馈信号，自带的频响分析软件对反馈信号进行分析，计算出带宽。当然，还可用手动的方法，发出正弦激励信号并接收来自编码器的反馈信号，测出带宽。以上方法均借用电机上的编码器返回的反馈信号计算带宽。但是，编码器通常返回的反馈信号是位置信号，其转换为速度后，速度分辨率偏低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种测量电机驱动器的带宽的装置，包括：微机械陀螺，微机械陀螺的敏感轴与电机的轴向相平行；信号发生器，用于向电机驱动器发送正弦波指令信号；信号接收器，用于接收微机械陀螺的反馈信号；以及运算器，用于将正弦波指令信号的振幅和相位与对应的反馈信号的振幅和相位作比较，求出带宽。

本发明的目的在于提供一种使用上述测量电机驱动器的带宽的方法，包括：将正弦波指令信号发送给电机驱动器；接收陀螺发出的反馈信号；求出反馈信号的振幅和相位；比较指令信号的振幅和相位与对应的反馈信号的振幅和相位，求出带宽。

从上述方案中可以看出，本发明的优点包括，但不仅限于：

1.运用本发明的方法计算出的带宽精度高；

2.本发明的方法所采用的装置尺寸小，安装方便，便于实现/使用；

3.本发明的成本相对低。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1为一个现有的运用频谱分析仪的带宽测试装置的示意图；

图2为本发明的包括测量伺服驱动器带宽装置和被测装置的系统的一个实施例的示意图；

图3为本发明的包括测量伺服驱动器带宽装置和被测装置的系统的另一个实施例的示意图；

图4为微机械陀螺安装在电机轴上的一个示意图;

图5为利用图2提供的系统测量伺服驱动器带宽的一种方法的流程图;

图6为利用图3提供的装置测量伺服驱动器带宽的一种方法流程图;

图7为利用图2提供的装置测量伺服驱动器带宽的另一种方法的流程图；

图8为利用图3提供的装置测量伺服驱动器带宽的另一种方法流程图;

图9为将正弦波叠加指令信号输给伺服驱动器的示意图；

图10a为傅里叶变换后得到的各频率对应的反馈信号与指令信号的频率的差值；

图10b为傅里叶变换后得到的各频率对应的反馈信号与指令信号的相位的差值。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。在各图中相同的标号表示相同的部分。

请参见图2，图2为本发明的包括测量伺服驱动器带宽装置和被测装置的系统的一个实施例的示意图。本系统包括信号发生器11，信号接收器12，运算器13，伺服驱动器2，带有微机械陀螺4的伺服电机3，还可包括放大器和滤波器5和A/D转换器6。在本实施例中，发生器11，信号接收器12和运算器可均集成在CPU 1中。其中，测量伺服驱动器带宽装置可包括信号发生器11，信号接收器12，运算器13，微机械陀螺4，还可包括放大器和滤波器5和A/D转换器6。被测装置可包括伺服驱动器2和伺服电机3。

值得注意的是，发生器11，信号接收器12和运算器13并不一定以集成在CPU 1的方式呈现，其可独立存在。此外，本装置并不局限于测量伺服驱动器的带宽，其还可以测量其他电机驱动器的带宽。

本实施例中的微机械陀螺4发出的反馈信号为模拟信号。因为信号接收器12接收的是数字信号以及后续计算需要的是数字信号，所以，微机械陀螺4发出的反馈信号需经过A/D转换器6，从模拟信号变为数字信号，并将此信号传送给CPU中的信号接收器12。值得注意的是，本发明还可以采用发出数字信号的微机械陀螺4。如采用的微机械陀螺4发出的反馈信号为数字信号，本发明则不需包括A/D转换器6，如果不需要A/D转换器6，本发明也不包括放大器和滤波器5。如果本发明采用的微机械陀螺4发出的是模拟信号，并且，如果陀螺输出的信号范围正好适合A/D转换器6的输入范围，放大器和滤波器5也可不被包括。图3为本发明的包括测量伺服驱动器带宽装置和被测装置的系统的另一个实施例的示意图。因为图3中的微机械陀螺4发出的反馈信号是电子信号，所以不需要放大器和滤波器5和A/D转换器6。

微机械陀螺4是一种惯性传感器，它只能感知并测量与它的敏感轴相平行的角速度。利用这个特性，本发明将微机械陀螺4装在电机轴末端的任何位置，但必须使得陀螺的敏感轴与被测角速度方向，即电机的轴向相平行。这样一来，微机械陀螺4便可测量电机轴的角速度。接下来请参见图4，图4为微机械陀螺安装在电机轴上的一个示意图。如图所示，微机械陀螺4可先集成到印制电路板42（printed circuit board，PCB），然后将印制电路板42贴在电机轴的末端。微机械陀螺4分很多种，有偏航陀螺、俯仰陀螺、横滚陀螺等，一般陀螺手册上都会给出一个外形图，在图上标注其敏感轴，因此将其焊在电路板上之后也就知道敏感轴方向了。我们以偏航速率陀螺为例，它一般以扁的芯片的形式存在，敏感轴就是垂直于这个扁的面，焊到电路板上之后，敏感轴就是垂直于印制电路板42的方向。（图4中Z轴所示）。因为微机械陀螺4的x，y轴不会对电机角速度的测量产生影响，因此安装微机械陀螺4时就非常方便，比如说，不用考虑x,y轴的对准。此外，微机械陀螺4的尺寸很小。以ADXRS620型号的微机械陀螺4为例，其为6.85mm*6.85mm。这也为安装微机械陀螺4提供了方便。

微机械陀螺4的输出为一个与角速度成正比的信号。在本实施例中，其输出为模拟信号。其敏感度相对于现有的编码器来说要强。以ADXRS620型的偏航速率陀螺为例。其输出标度因数为6mv/degree/second。配上仪表运算放大器和12节A/D转换器，其分辨率很容易能达到0.1°/s。然后，对于常用的2500线编码器（一万个脉冲/周）来说，当电机转一周时，其会发出一万个脉冲。因此，在常用的采样时间1毫秒（ms）里，其速度分辨率为

相比之下，ADXRS620型的偏航速率陀螺的分辨率0.1°/s要小得多。

接下来，请结合图2和图5来介绍本发明借助微机械陀螺测量伺服驱动器带宽的步骤，图5为利用图2提供的装置测量伺服驱动器带宽的一种方法的流程图。值得注意的是，本方法并不局限于测量伺服驱动器的带宽，其还可以测量其他电机驱动器的带宽。

本发明提供的借助微机械陀螺测量伺服驱动器带宽的方法包括：（1）将微机械陀螺4置于电机轴41（见图4）上（S51），使得将微机械陀螺4的敏感轴与被测角速度方向，即电机的轴向平行；

（2）将一个由不同频率的正弦波叠加而成的指令信号输出给伺服驱动器2（S52），在图4的实施例中，此步骤可由CPU 1中的信号发生器11完成，请参见图9，图9为将指令正弦波叠加信号输给伺服驱动器的示意图，当伺服驱动器2接收到正弦波叠加信号指令后，指示伺服电机3按照指令运动。安装在伺服电机3上的微机械陀螺4按照伺服电机3的运动发出反馈信号，由于伺服系统的性质，微机械陀螺4发出的反馈信号也会为一组正弦波的叠加信号；

（3）放大器和滤波器5对反馈信号进行放大及滤波处理（S53），通常，微机械陀螺4输出的信号范围不适合A/D转换器6的输入范围，因此需要对其输出的信号进行放大及滤波处理，值得注意的是，如本发明采用的微机械陀螺4发出的是模拟信号，并且，如陀螺输出的信号范围正好适合A/D转换器6的输入范围，此步可省略，如采用的微机械陀螺4发出的反馈信号为数字信号时，此步也可省略；

（4）A/D转换器6以固定的采样周期将反馈信号从模拟信号变为数字信号（S54），在每个采样周期，例如每1毫秒，采集一次信号，共采集N个点为一组数列，通常，采集的信号为微机械陀螺4的输出电压，值得注意的是，如采用的微机械陀螺4发出的反馈信号为数字信号，此步可省略；

（5）以固定的采样周期接收微机械陀螺4的反馈正弦波叠加信号（S55），此反馈信号为经过放大过滤及A/D转换后的信号；

（6）运用适当的数字信号处理方法，求出正弦波反馈信号的振幅和相位（S56）；

下面用一个例子来说明上述步骤，例如，信号发生器11发出一组指令正弦波叠加信号A₁sin(ω₁t+α₁)+A₂sin(ω₂t+α₂)+…+A_nsin(ω_nt+α_n)，由于伺服系统的性质，微机械陀螺4发出的反馈信号也会为一组正弦波的叠加信号B₁sin(ω₁t+β₁)+B₂sin(ω₂t+β₂)+…+B_nsin(ω_nt+β_n)，其中，A₁…A_n，B₁…B_n为振幅，ω₁…ω_n为频率，t为时间，α₁…α_n,β₁…β_n为相位，为求出反馈信号的振幅B₁…B_n和相位β₁…β_n，运用适当的数字信号处理方法，例如，全相位快速傅里叶变换All Phase Fast Fourier Transformation（APFFT），傅里叶级数Fourier Series（FS），或者离散时间傅里叶变换Discrete Time Fourier Transformation(DTFT)等,其中，离散时间傅里叶变换可以得到比较好的结果，我们就以此为例，DTFT使用的公式如下：

其中，ω为频率，N为采样点的个数，T为采集周期，离散时间傅里叶变换之后会得到一个复数a+bj,将此复数取模，即

得出振幅，将arctan(b/a)得出相位，通过对ω₁…ω_n运用DTFT，从而将反馈信号中的对应ω₁…ω_n的各振幅B₁…B_n和相位β₁…β_n求出；

（7）比较相同频率正弦波反馈信号的振幅和相位与指令信号的振幅和相位，求出带宽（S57）。将相同频率的反馈信号振幅B₁…B_n与指令信号振幅A₁…A_n比较，当反馈信号的振幅衰减为指令信号振幅的0.707倍，相对应的反馈信号的频率ω称为-3dB带宽。将相同频率的反馈信号相位β₁…β_n与指令信号相位α₁…α_n比较，当反馈信号的相位比指令信号相位延迟90度时，相对应的反馈信号的频率称为-90度相移带宽。

由上述可知，如本发明采用的微机械陀螺4发出的是数字信号时，上述步骤（4）（5）可省，可参照图6，图6为利用图3提供的装置测量伺服驱动器带宽的一种方法的流程图。如本发明采用的微机械陀螺4发出的是模拟信号时，并且，如陀螺输出的信号范围正好适合A/D转换器6的输入范围，上述步骤（4）此步也可省略。此外，步骤（4）和（5）可合为一个步骤，A/D转换器6以固定的采样周期将反馈信号从模拟信号变为数字信号，CPU从A/D转换器6中读取转换得到的数字信号，完成对微机械陀螺4发出的反馈正弦波叠加信号的采集。值得注意的是，上述步骤并不一定按照上述标号的次序，比如，（1）与（2）间次序可换。

值得注意的是，指令信号并不一定为一组指令正弦波叠加，一个正弦波也可以，对应的方法请参考图7，图7为利用图2提供的装置测量伺服驱动器带宽的另一种方法的流程图。如图所示，步骤为：

（1）将微机械陀螺4置于电机轴41（见图4）上（S71），据以上所述，微机械陀螺4只能感知并测量与其敏感轴相平行的角速度，因此需要使得将微机械陀螺4的敏感轴与被测角速度方向，即电机轴向平行；

（2）设定循环N次（S72）；

（3）将一个固定频率ω_m的正弦波指令信号输出给伺服驱动器2（S73），微机械陀螺4也相应发出一个正弦波反馈信号；

（4）放大器和滤波器5对反馈信号进行放大及滤波处理（S74），值得注意的是，如本发明采用的微机械陀螺4发出的是模拟信号，并且，如陀螺输出的信号范围正好适合A/D转换器6的输入范围，此步可省略，如采用的微机械陀螺4发出的反馈信号为数字信号时，此步也可省略；

（5）A/D转换器6以固定的采样周期将反馈信号从模拟信号变为数字信号（S75），在每个采样周期，例如每1毫秒，采集一次信号，共采集N个点为一组数列，通常，采集的信号为微机械陀螺4的输出电压，值得注意的是，如采用的微机械陀螺4发出的反馈信号为数字信号，此步可省略；

（6）以固定周期接收微机械陀螺4螺发出的正弦波反馈信号（S76）此反馈信号为经过放大过滤及A/D转换后的信号；

（7）运用适当的数字信号处理方法，求出反馈正弦波叠加信号的各正弦波的振幅和相位（S77），适当的数字信号处理方法包括，但不限于，离散时间傅里叶变换，傅里叶级数，以及直接在数列当中寻找极值来求振幅，寻找过零点来求相位差的方法等；

（8）判断是否经过N次循环（S78），如有，直接进入步骤（9），如没有，改变指令信号的频率，然后执行步骤（3）；

（9）比较各频率对应的各反馈信号的振幅和相位与相同频率下的指令信号的振幅和相位，求出带宽（S79）。

由上述可知，如本发明采用的微机械陀螺4发出的是数字信号时，上述步骤（5）（6）可省，可参照图8，图8为利用图3提供的装置测量伺服驱动器带宽的另一种方法流程图。如本发明采用的微机械陀螺4发出的是模拟信号时，并且，如陀螺输出的信号范围正好适合A/D转换器6的输入范围，上述步骤（5）此步也可省略。

值得注意的是，上述步骤（7）也可放在循环外面，即当步骤（6）实施完毕，执行步骤（8）判断是否经过M次循环，如有，直接进入步骤（6），如没有，执行步骤（3），完成步骤（6）后直接执行步骤（9）。此外，步骤（4）和（5）可合为一个步骤，A/D转换器6以固定的采样周期将反馈信号从模拟信号变为数字信号，CPU从A/D转换器6中读取转换得到的数字信号，完成对微机械陀螺4发出的反馈正弦波叠加信号的采集。

图8a为傅里叶变换后得到的各频率对应的反馈信号与指令信号的频率的差值。X轴为频率，单位为弧度/秒，y轴为频率差值，单位为dB。虚线表示指令信号，带*的折线表示反馈信号。图中指示的频率为-3dDB带宽。图8b为傅里叶变换后得到的各频率对应的反馈信号与指令信号的相位的差值。X轴为频率，单位为弧度/秒，y轴为相位差值，单位为度。虚线表示指令信号，带*的折线表示反馈信号。图中指示的频率为-90度相移带宽。

上述所列出的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，保护范围以权利要求为准，凡未脱离本发明精神所做的实施例的等效或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种测量电机驱动器的带宽的装置，包括：

微机械陀螺，所述微机械陀螺的敏感轴与所述电机的轴向相平行；

信号发生器，用于向所述电机驱动器发送正弦波指令信号；

信号接收器，用于接收所述微机械陀螺的反馈信号；以及

运算器，用于将所述正弦波指令信号的振幅和相位与对应的反馈信号的振幅和相位作比较，求出带宽。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括放大器和滤波器，所述放大器用于放大所述反馈信号，滤波器用于过滤所述反馈信号中的噪音。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括A/D转换器，用于将所述反馈信号从模拟信号转换成数字信号。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述发生器，信号接收器和运算器集成在一个电器元件中。

5.一种使用如权利要求1-4所述的装置测量电机驱动器的带宽的方法，包括：

将正弦波指令信号发送给所述电机驱动器；

接收所述陀螺发出的反馈信号；

求出所述反馈信号的振幅和相位；

比较所述所述指令信号的振幅和相位与对应的反馈信号的振幅和相位，求出带宽。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述正弦波指令信号包括一个由不同频率的正弦波叠加而成的指令信号。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述正弦波指令信号包括依次发送的多个不同频率的正弦波信号。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，当接收到一个频率的正弦波信号，便求出对应的反馈信号的振幅和相位。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述多个频率的正弦波信号都收到时，才求出对应的反馈信号的振幅和相位。

10.如权利要求5-9任一所述的方法，其特征在于，在所述接收反馈信号之前，对所述反馈信号进行放大及滤波处理。

11.如权利要求5-9任一所述的方法，其特征在于，在所述接收反馈信号之前，将所述反馈信号从模拟信号变为数字信号。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述反馈信号进行放大及滤波处理后，将所述反馈信号从模拟信号变为数字信号。

13.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，用数字信号处理方法求出所述反馈信号的振幅和相位，所述数字信号处理方法包括全相位快速傅里叶变换，傅里叶级数，以及离散时间傅里叶变换。

14.如权利要求5，7，8或9所述的方法，其特征在于，用数字信号处理方法求出所述反馈信号的振幅和相位，所述数字信号处理方法包括离散时间傅里叶变换，傅里叶级数，以及直接在数列当中寻找极值来求振幅，寻找过零点来求相位差的方法。