CN104133136A - 一种转台频率响应测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种转台频率响应测试装置，包括信号发生与采集部件和运行信号分析MATLAB程序的计算机两部分。使用时，将信号发生与采集部件的激励信号输出端和稳态信号输入端与被测系统连接，第一CAN通信接口通过USB转CAN模块与计算机连接；根据测试对象的特性和测试需求，通过CAN通信口设置测试激励信号的幅值和频率，测试频率点间隔，以及测试信号的输出模式；在不添加任何传感器情况下，利用被测系统本身自带的传感器，采集模拟的或数字的被测系统的稳态响应信号；对测试的信号有效性自动判断，并输出提示信息。

Description

一种转台频率响应测试装置

技术领域

 本发明属于测试技术领域，具体涉及一种转台频率响应的测试。本发明适用于光电跟踪转台或其他电机驱动转台频率响应测试。

背景技术

对转台等被控对象的频率响应进行测试，从而获得系统频域里的数学模型，为伺服控制体系和算法设计提供基础，这种方式广泛地被应用在光电跟踪转台、数控机床和遥控转台等伺服系统设计。根据频率响应测试的原理，输入一系列的多频率、等幅值的正弦信号到被测系统，再采集被测系统的稳态输出信号；根据输入信号和稳态输出信号，信号分析算法计算出每个频率点信号的对数增益值和相位差值。电机驱动转台所采用的电机驱动器或功率放大器种类多样，在建立完整的数学模型时，需要将驱动器或功率放大器，甚至是将数字控制器的频率响应特性考虑在内；其输入的激励信号模式种类繁多，比如数字信号、模拟信号和PWM信号；相应的，输出的信号模式也存在多样性。现有的动态响应分析仪通常采用外部输入模拟信号以及采集模拟信号的模式，导致系统局限于模拟系统；《计算机测量与控制》期刊上《现代运动控制系统的数字式频响测试方法》论文中设计的频率响应测试方法，采用计算机来输出、采集和分析频率响应信号，其只能分析和处理数字信号；在多种类的转台系统中，两种方法应用范围受到限定。

发明内容

为了满足测试转台输入信号和输出信号的多样性和频率响应测试的灵活性需求，本发明提供一种基于DSP和MATLAB程序的转台频率响应测试装置。

本发明提供的频率响应测试装置具有一个信号发生与采集部件和一个与该部件通过周立功公司研制的USB转CAN模块连接的计算机。信号发生与采集部件的硬件由可执行程序的DSP处理器，串口RS-422驱动器，CAN2.0驱动器，复杂可编程逻辑器件，PWM信号驱动器，数模转换(DA)器件和模数转换(AD)器件组成。运行在可执行程序的DSP处理器上的软件通过初始化过程完成自身CAN模块配置，与CAN2.0驱动器组成第一CAN通信接口，通过此CAN通信接口接收外部控制命令，配置自身相应功能模块；与两个串口RS-422驱动器，CAN2.0驱动器，复杂可编程逻辑器件，PWM信号驱动器，DA器件和AD器件分别组成两个串口通信接口，第二CAN通信接口，PWM信号接口，DA接口，AD接口。根据设置命令，装置提供多种激励信号输出模式：PWM信号，模拟信号，串口数字信号和CAN数字信号；相应的提供了模拟信号，串口数字信号和CAN数字信号输入采集模式；装置具备宽测试频率范围和四档测试频率点间隔供选择，如有需求可以通过命令指定频率点测试。装置同步采集测试系统稳态响应信号和激励信号并转换为统一制式的数字信息，通过第一CAN通信接口将数字信息发送到计算机上；同时对测试信号的有效性进行判断，并输出提示信息。计算机通过USB转CAN模块与信号发生与采集部件的第一CAN通信接口连接，利用USB转CAN模块的数据采集软件接收和存储数字信息，在计算机上运行的MATLAB信号分析程序将自动对数字信息进行解析和分析计算，自动判断数据的有效性，并进行清零处理，并输出可视化的对数频率响应特性曲线。

为了产生多种模式的激励信号和采集多种模式的稳态响应信号，运行在可执行程序的DSP处理器上的软件执行如下步骤：

a.初始化DSP处理器中的CPU定时器、GPIO、SCI、CAN、PWM和XINTF模块，初始化可执行程序中的变量，配置和使能DSP处理器中的第一CAN通信接口； 

b.等待第一CAN通信接口接收控制命令；

c.判断接收命令有效，如无效转入步骤b；

d.解析接收命令，根据命令配置PWM，SCI和CAN模块，以及DA器件和AD器件；

e.等待第一CAN通信接口接收操作命令，判断是否等待超时，如果超时转入步骤b，如果没有超时，继续等待，超时计数器加一；当接收到操作命令后，判断操作命令是否有效，如果无效继续等待；

f.判断操作命令是启动命令，如果不是则转入步骤h；

g.计算输出激励信号序列值，并在相应接口输出激励信号，同时在相应输入接口采集被测系统稳态响应信号，将激励信号和响应信号转换为统一制式信息，通过第一CAN通信接口发送到计算机，并统计信息的有效性，清除超时计数器，转入步骤e；

h.判断操作命令是重设命令，如果是转入步骤b；

i.判断操作命令是退出测试命令，如果不是，转入步骤j；如果是退出命令判断测试信号是否有效，如果无效，输出提示信息，并转入步骤k；如果有效，直接转入步骤k；

j.判断操作命令是停止测试命令，如果不是，转入步骤e；如果是停止命令，继续判断信号是否有效，如果无效，输出提示信息；继续判断是否单点频率测试，如果是则转入步骤k，如果不是转入步骤e；

k.程序终止。

运行在计算机上的MATLAB信号分析程序对数字信号自动解码、分析计算，并生成可视化频率响应特性曲线，其执行如下步骤：

A.清除工作空间，初始化变量； 

B.读取测试次数；

C.判断分析次数小于测试次数，如果不满足则转入步骤H；

D.读取数字信息，对信息进行解码，生成激励信号序列和稳态响应信号序列数据对；

E.判断数据的有效性，如果无效，转入步骤G；

F.计算对应当前频率点的对数增益值和激励信号与稳态响应信号之间的相位差，将对数增益值和相位差值存入缓冲区，转入步骤C；

G..对该点的对数增益值和相位差值进行清零处理；

H.按照频率点与增益值和相位差值确定的坐标，输出可视化的对数频率响应特性曲线，并退出程序。

本发明具有以下特点：1.根据测试对象的特性和测试需求，可通过CAN通信口设置测试激励信号的幅值和频率，测试频率点间隔，以及测试信号的输出模式；装置在不添加任何传感器情况下，利用被测系统本身自带的传感器，采集模拟的或数字的被测系统的稳态响应信号；对测试的信号有效性自动判断，并输出提示信息。2.测试的激励信号和稳态响应数据输入计算机后， MATLAB信号分析程序自动对数字信息进行解析，计算出每个频率点对数增益值和相位差值，自动判断数据的有效性，并进行清零处理；并输出可视化的对数频率响应特性曲线。

附图说明

图1为本发明装置工作示意图；

图2为本发明装置中的信号发生与采集部件核心板示意图；

图3为本发明装置中的信号发生与采集部件的软件流程图；

图4为本发明装置中的MATLAB信号分析程序流程图。

具体实施方法

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

图1为本发明的转台频率响应测试装置的工作示意图。如图1所示，在使用时，本发明的转台频率响应测试装置110的信号发生与采集部件111的激励信号输出接口与被测系统的激励信号输入端口连接，输入端口一般在电机驱动器或功率放大器或数字控制器131的前端；激励信号通过加载到电机驱动器或者功率放大器或者数字控制器上激励电机驱动转台132工作，其工作反馈信息被传感器133测量；传感器133将被测系统130的稳态响应信号输入到信号发生与采集部件111的输入采集端口；信号发生与采集部件111将激励信号和稳态响应信号转换为统一制式的数字信息，通过一端连接信号发生与采集部件111和另一端连接计算机112的USB转CAN模块121将数字信息发送到计算机112上，计算机112上运行的USB转CAN模块数据采集程序将数字信息接收并存入指定位置。通过计算机112上运行的USB转CAN模块数据采集程序，输入控制命令到信号发生与采集部件111，根据测试对象设置激励信号输出模式为PWM信号，模拟信号，串口数字信号和CAN数字信号；相应的提供了模拟信号，串口数字信号和CAN数字信号输入采集模式。其中模拟信号幅值范围为0~±10V；以串口和CAN数字信号模式输出的激励信号的频率范围：10^-1.0~10^3.2rad/sec；以模拟和PWM信号模式输出的激励信号的频率范围：10^-1.0~10^3.5rad/sec；四档测试频率点间隔供选择：10^0.01rad/s，10^0.05rad/s，10^0.1rad/s，10^0.2rad/s；在每个频率点测试过程中，软件根据频率和采样时间的关系自动判断信号的有效性，并做相应提示供用户参考。计算机112上运行的MATLAB信号分析程序自动对信息解析和分析计算，自动判断数据的有效性，做出相应处理供参考，并输出可视化对数频率响应特性曲线。

图2为本发明中的转台频率响应测试装置的信号发生与采集部件核心板示意图。如图2所示，本发明的DSP核心控制板采用TI公司的150MHz主频的TMS320F28335DSP处理器210为核心，其SCI模块分别与两个MAX3160串口RS-422驱动器（223、226）连接组成第一串口和第二串口通信接口（233、237），第一串口通信接口233定义为被测系统稳态响应串口数字信号接收接口，第二串口通信接口237定义为数字激励信号串口数字信号发送接口；DSP处理器210的CAN模块分别与两个SN65HVD230CAN2.0驱动器连接（222、225）组成第一CAN和第二CAN通信接口（232、236），第一CAN通信接口232定义为连接USB转CAN模块的外部通信接口，接收外部控制命令和输出统一制式的数字信息，第二CAN通信接口236定义为数字激励信号CAN数字信号发送接口和被测系统稳态响应CAN数字信号接收接口；DSP处理器210的XINTF模块与具有地址译码和并行数据锁存功能的LC4256V复杂可编程逻辑器件224分别与AD669数模转换器227和AD7656模数转换器228连接组成模拟激励信号输出接口234和被测系统稳态响应模拟信号采集接口235；DSP处理器210的PWM模块与MAX3490PWM波形驱动器221连接组成PWM激励信号输出接口231。

图3为本发明中的信号发生与采集部件的程序流程图。如图3所示，步骤10完成CPU定时器、GPIO、SCI、CAN、PWM和XINTF模块等模块的初始工作，初始化可执行程序中的变量，配置和使能DSP处理器中的第一CAN通信接口。在步骤11中，采用查询方式通过第一CAN通信接口接收外部控制命令，在步骤12中对接收的信息进行判断，判断的条件有信息是否有效，信息是否是控制命令，命令的设置是否满足逻辑要求，如果不满足将转入步骤11中等待正确控制命令；根据控制命令的内容和要求，在步骤13中，可执行程序对AD器件，DA器件，PWM，SCI和CAN模块配置以满足控制命令要求；在此配置的CAN模块只是对第二CAN通信接口的模块配置。配置完成后在步骤14中判断接收操作命令是否超时，如果超时则转入步骤11重新接收控制命令；如果没有超时，在步骤141中采用查询方式通过第一CAN通信接口接收操作命令，并将超时计数器加一；进入步骤142判断接收的操作命令是否有效，如果无效转入步骤14继续等待接收操作命令。接收到有效操作命令后在步骤15中判断命令为启动测试命令，如果不是，转入步骤16；当启动测试命令有效时，在步骤151中根据命令和算法计算当前测试频率值和激励信号序列，在步骤152中根据控制命令选择信号发送接口发送激励信号，例如控制命令选择模拟信号输出激励信号，则装置自动发送相应的模拟信号；同时在步骤153中，按照控制命令内容，选择稳态响应信号接收接口采集信号，例如测速部件采用CAN通信发送速度数据，则可选择第二CAN通信接口接收转台速度信息；同时将同时刻采集的稳态响应信号数据和激励信号数据成对存储；在步骤154中，将数据转换为同一制式的信息，并通过第一CAN通信接口发送，并对信号的有效性进行统计，清除超时计数器的值，转入步骤14继续测试。在步骤16中判断操作命令是否为重设命令，如果是则转入步骤11；步骤17中判断操作命令是否为退出命令，如果不是则进入步骤18；当操作命令为退出命令时，在步骤171中需要根据步骤154中信号有效性统计数据判断信号是否有效，如果信号无效，则需要在步骤172中通过第一CAN通信接口发送无效提示信息，并进入步骤19退出；如果信号有效直接进入步骤19退出。在步骤18中判断操作命令是否为停止测试命令，如果不是，转入步骤14继续测试；当命令为停止命令时，在步骤181中需要根据步骤154中信号有效性统计数据判断信号是否有效，如果信号无效，则需要在步骤182中通过第一CAN通信接口发送无效提示信息，并进入步骤183；如果信号有效直接进入步骤183；在步骤183中判断控制命令是否设置为单点频率测试，如果不是，转入步骤14继续等待下一个启动命令；如果是，则进入步骤19退出程序。

图4为本发明中的MATLAB信号分析程序流程图。如图4所示，在开始步骤20里对工作空间进行清除，对程序中所用到的变量初始化；在步骤21中读取用户设置的测试频率点数目，以确定需要解析数据信息个数和计算分析个数；在步骤22中判断分析次数是否小于测试频率点数，如果条件不满足，则转入步骤25，如果条件满足，在步骤23中读取信息，对信息进行解析和生成激励信号和稳态响应信号序列对，并将分析次数计数器加一，并转入步骤24；在步骤24中判断数据的有效性，如果数据有效转入步骤241，如果数据无效转入步骤242；在步骤241中计算当前分析频率点激励到响应的对数增益值和相位差，并存储，完成后转入步骤22；在步骤242中将当前频率点的对数增益值和相位差值进行清零处理，并存储，完成后转入步骤22；在步骤25中，将分析完成的增益值和相位差值按照测试频率点的频率值描述，生成可视化的对数频率响应特性曲线；完成后退出程序251。

Claims (4)

1.一种转台频率响应测试装置，其特征在于：所述测试装置（110）由信号发生与采集部件（111）和计算机（112）组成；在使用时，信号发生与采集部件（111）的激励信号输出接口与被测系统的激励信号输入端口连接，被测系统（130）的稳态响应信号输入到信号发生与采集部件（111）的输入采集端口；信号发生与采集部件（111）通过USB转CAN模块（121）与计算机（112）连接，通过计算机（112）上运行的USB转CAN模块数据采集程序，输入控制命令到信号发生与采集部件（111），根据测试对象设置激励信号输出模式为PWM信号，模拟信号，串口数字信号和CAN数字信号等；相应的提供了模拟信号，串口数字信号和CAN数字信号输入采集模式。

2.根据权利要求1所述的频率响应测试装置，其特征在于：所述信号发生与采集部件核心板采用TI公司的150MHz主频的TMS320F28335DSP处理器（210）为核心，其SCI模块分别与两个MAX3160串口RS-422驱动器（223、226）连接组成第一串口和第二串口通信接口（233、237），第一串口通信接口（233）定义为被测系统稳态响应串口数字信号接收接口，第二串口通信接口（237）定义为数字激励信号串口数字信号发送接口；DSP处理器（210）的CAN模块分别与两个SN65HVD230CAN2.0驱动器连接（222、225）组成第一CAN和第二CAN通信接口（232、236），第一CAN通信接口（232）定义为连接USB转CAN模块的外部通信接口，接收外部控制命令和输出统一制式的数字信息，第二CAN通信接口236定义为数字激励信号CAN数字信号发送接口和被测系统稳态响应CAN数字信号接收接口；DSP处理器（210）的XINTF模块与具有地址译码和并行数据锁存功能的LC4256V复杂可编程逻辑器件（224）分别与AD669数模转换器（227）和AD7656模数转换器（228）连接组成模拟激励信号输出接口（234）和被测系统稳态响应模拟信号采集接口（235）；DSP处理器（210）的PWM模块与MAX3490PWM波形驱动器（221）连接组成PWM激励信号输出接口（231）。

3.根据权利要求1所述的频率响应测试装置，其特征在于：所述运行在信号发生与采集部件的DSP处理器上的软件执行如下步骤：

a.初始化DSP处理器中的CPU定时器、GPIO、SCI、CAN、PWM和XINTF模块，初始化可执行程序中的变量，配置和使能DSP处理器中的第一CAN通信接口； 

b.等待第一CAN通信接口接收控制命令；

c.判断接收命令有效，如无效转入步骤b；

d.解析接收命令，根据命令配置PWM，SCI和CAN模块，以及DA器件和AD器件；

e.等待第一CAN通信接口接收操作命令，判断是否等待超时，如果超时转入步骤b，如果没有超时，继续等待，超时计数器加一；当接收到操作命令后，判断操作命令是否有效，如果无效继续等待；

f.判断操作命令是启动命令，如果不是则转入步骤h；

g.计算输出激励信号序列值，并在相应接口输出激励信号，同时在相应输入接口采集被测系统稳态响应信号，将激励信号和响应信号转换为统一制式信息，通过第二CAN通信接口发送到计算机，并统计信息的有效性，清除超时计数器，转入步骤e；

h.判断操作命令是重设命令，如果是转入步骤b；

i.判断操作命令是退出测试命令，如果不是，转入步骤j；如果是退出命令判断测试信号是否有效，如果无效，输出提示信息，并转入步骤k；如果有效，直接转入步骤k；

j.判断操作命令是停止测试命令，如果不是，转入步骤e；如果是停止命令，继续判断信号是否有效，如果无效，输出提示信息；继续判断是否单点频率测试，如果是则转入步骤k，如果不是转入步骤e；

k.程序终止。

4.根据权利要求1所述的频率响应测试装置，其特征在于：所述运行在计算机上的MATLAB信号分析程序执行如下步骤：

A.清除工作空间，初始化变量；

B.读取测试次数；

C.判断分析次数小于测试次数，如果不满足则转入步骤H；

D.读取数字信息，对信息进行解码，生成激励信号序列和稳态响应信号序列数据对；

E.判断数据的有效性，如果无效，转入步骤G；

F.计算对应当前频率点的对数增益值和激励信号与稳态响应信号之间的相位差，将对数增益值和相位差值存入缓冲区，转入步骤C；

G.对该点的对数增益值和相位差值进行清零处理；

H.按照频率点与增益值和相位差值确定的坐标，输出可视化的对数频率响应特性曲线，并退出程序。