CN106645940A - 数字舵系统的频率响应特性测试装置及测试方法 - Google Patents

数字舵系统的频率响应特性测试装置及测试方法 Download PDF

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刘晓坤
姜涛
王帅兵
李玲
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Abstract

本发明公开一种数字舵系统的频率响应特性测试装置及测试方法，该装置包括旋转式角度传感器、信号调理电路、数据采集卡和测试模块，将测试模块与信号调理电路连接，通过测试模块的测试软件向信号调理电路发送频响测试指令，所述信号调理电路与数字舵系统连接，以向数字舵系统发送正弦波控制信号，数字舵系统与角度传感器连接，通过角度传感器将舵系统输出的数字信号转换为模拟电压，通过与角度传感器连接的数据采集卡同步采集数据，并将数据传输给工控机进行频率响应特性测试计算。利用旋转式角度传感器完成数字舵系统的频率响应特性测试方法，可以准确的测量舵系统的幅频特性和相频特性。

Description

数字舵系统的频率响应特性测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及测试计量技术及仪器，具体涉及一种数字舵系统的频率响应特性测试装置及测试方法。
背景技术
舵系统是飞机、导弹等系统中控制飞行器姿态的主要部件。根据通信方式的不同，舵系统可分为模拟舵系统和数字舵系统。随着数字信号处理技术的进步，以及数字信号抗干扰能力强、无噪声积累、便于加密、存储和交换等方面的独特优势，数字舵系统的应用逐渐成为主流。
系统的频率响应一般是指系统对正弦信号的稳态响应特性。稳态是系统的运动在过渡过程结束后的状态。系统的频率响应由幅频特性和相频特性两部分组成。幅频特性表示增益的增减同信号频率的关系；相频特性表示不同信号频率下的相位畸变关系。在控制论中，根据频率响应可以很方便的分析系统的稳定性和其他运动特性。频率响应的概念在系统设计非常重要，一般是产品的出厂必检指标。
数字信号由于自身特点，技术要求复杂，尤其是同步技术要求精度很高。在数字舵系统频率响应测试中，信号的同步处理一直是技术难题。本发明提出了一种数字舵系统的频率响应特性测试方法及装置准确可靠地解决了这一问题。
发明内容
本发明提出了一种利用旋转式角度传感器完成数字舵系统的频率响应特性测试的新方法，目的在于准确可靠地确定舵系统的幅频特性和相频特性。
本发明的数字舵系统频率响应特性的测试装置包括旋转式角度传感器、信号调理电路、数据采集卡和测试模块，将测试模块与信号调理电路连接，通过测试模块的测试软件向信号调理电路发送频响测试指令，所述信号调理电路与数字舵系统连接，以向数字舵系统发送正弦波控制信号，数字舵系统与角度传感器连接，通过角度传感器将舵系统输出的数字信号转换为模拟电压，通过与角度传感器连接的数据采集卡同步采集数据，并将数据传输给测试软件进行频率响应特性测试计算。
优选所述旋转式角度传感器输入为舵机的实时转角，输出为模拟电压，完成舵机转角的实时模拟反馈。
优选所述信号调理电路实现对数字舵系统的正弦波控制信号输入，实施过程为调理电路接收到上位机发出的频率响应测试命令后，将N≧8个完整周期的固定幅值和频率的正弦波信号在满足香浓采样定理的前提下离散化，并以一定周期通过通信接口下发到数字舵系统，而且电路在发出控制指令的同时向数据采集卡发送触发信号。
优选所述数据采集卡在接收到信号调理电路发出的触发指令后，能够以连续模式采集角度传感器的反馈信号。
优选所述测试模块运行测试软件，用以向信号调理电路发送“频率响应特性测试”指令，驱动数据采集卡并记录采集数据，并基于傅里叶变换算法实现幅频特性和相频特性的计算。
本发明的数字舵系统的频率响应特性测试方法，其特征在于，包括：步骤1、将舵机输出轴与角度传感器输入轴通过工装进行机械连接；步骤2、将数字舵系统的通信接口与权利要求1-4所述的测试装置的通信接口进行连接；步骤3、由测试装置通过通信接口向数字舵系统发送固定幅值和频率的正弦波控制信号，测试装置同步采集旋转式角度传感器的输出信号，即舵机转动角度；步骤4、数据采集完成后，测试装置中的上位机软件利用傅里叶变换方法完成舵系统幅频特性、相频特性的计算。
本发明的有益效果为：
本发明数字舵系统的频率响应特性测试装置及测试方法利用旋转式角度传感器将舵系统输出的数字信号转换为模拟电压；利用信号调理电路实现发送控制指令和采集反馈信号的同步；同时基于傅里叶变换的幅频特性计算方法自带均值滤波效果，稳定、可靠地完成了幅频特性和相频特性的计算。
附图说明
图1为数字舵系统的频率响应特性测试装置及测试方法的原理框图。
图2为数字舵系统的频率响应特性测试方法流程图。
图3为测试软件流程图。
具体实施方式
本发明的基本思想是：由测试软件向信号调理电路发送频响测试指令，通过信号调理电路向数字舵系统下发正弦波控制信号，利用角度传感器将舵系统输出的数字信号转换为模拟电压并由数据采集卡同步采集，频率响应特性测试的核心算法即基于傅里叶变换的频响计算方法由软件实现。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1为本发明数字舵系统的频率响应特性测试装置及测试方法的原理框图。图2为本发明数字舵系统的频率响应特性测试方法流程图，如图2所示，本发明数字舵系统的频率响应特性测试方法包括以下步骤：
步骤1：根据原理框图确定测试装置各部分的电气连接关系。
步骤2：频率响应特性测试数据发送。
步骤2.1首先由测试软件按照数字协议通过422串口将“频率响应特性测试”指令下发至信号调理电路，指令包括测试条件即幅值信息、频率信息，如测试数字舵系统在幅值为±1度、频率为15Hz条件下的频率响应特性；
步骤2.2信号调理电路在接收到“频率响应特性测试”指令后，完成数字协议的解析，确定测试条件即幅值k、频率f。然后同时向数字舵系统发送符合测试条件的N(N≧8)个完成周期的正弦波控制信号和向数据采集卡发送一个触发信号。这里，正弦波控制信号是满足香浓采样定理的离散信号即一系列数据点的集合且下发每个数据点控制信号的时间间隔需要严格控制，下发的单点控制信号为满足舵系统通信协议的数字信号；触发信号是固定输出引脚的一个持续一定时间的高电平信号。
步骤3：频率响应特性测试数据采集。在接收到触发信号后，数据采集卡立即以连续方式采集经信号调理电路调理后的角度传感器的反馈信号，采集时长为N/f。这里，角度传感器的反馈信号即是数字舵系统的输出信号。
步骤4：频率响应特性测试数据处理。测试软件按照傅里叶变换算法对采集的数据进行处理，计算得到幅频特性和相频特性测试结果，并显示。傅里叶变换算法的数学原理介绍如下：
若控制信号为幅值为A、频率为f的正弦信号即f1(t)＝Asin(2πf*t)，存在对应的余弦信号f2(t)＝Acos(2πf*t)，反馈信号为幅频特性为k、相拼特性为Φ的正弦信号即g(t)＝Aksin(2πf*t+Φ)(0<Φ<180)，则存在如下数学关系：
其中，N为正整数表示周期个数；从而有：
下面为按照具体实施方式完成的一个具体实施例：
系统软硬件介绍如下：
<1>数字舵系统
422串口通信，波特率115200，数据位8，停止位1，无奇偶校验位。
<2>角度传感器
WDD35D-4角度传感器，电气转角90度，线性度0.1％，输出0到5v模拟电平。
<3>信号调理电路
自研的基于STM32处理器的电路板，完成协议解析、同步触发、信号收发等功能。
<4>数据采集卡
ADLINKNuDAQ PCI-9222数据采集卡，16路模拟信号采集，32路可编程数字I/O。
<5>工控机
海晟科技便携式ARP670便携式工控机，2路422串口，2路232串口。
<6>测试软件
采用C#语言、VS2008平台编程实现，软件流程图如图3所示。
这里，结合数字舵系统性能指标，进行了在±1度幅值、15Hz频率条件下的频率响应特性测试。测试软件按照数字协议通过422串口向信号调理电路发送“频率响应特性测试”指令。信号调理电路在完成指令解析后，依照通信协议通过422串口向数字舵系统连续发送30个周期1度、15Hz正弦波信号，发送指令间隔为2ms；同时信号调理电路向数据采集卡的DI0引脚发送一个持续时间1ms的3.3v高电平信号即触发信号。数据采集卡敏感DI0引脚的上升沿信号开始进行持续时间为2s的信号连续采集。根据测试原则，测试软件选取后25个周期的采集数据根据傅里叶变换算法完成幅频特性、相频特性的计算，并将测试结果和数据波形展示。
本发明中涉及到的本领域公知技术未详细阐述。

Claims (6)

1.一种数字舵系统频率响应特性的测试装置，其特征在于：包括旋转式角度传感器、信号调理电路、数据采集卡和测试模块，将测试模块与信号调理电路连接，通过测试模块的测试软件向信号调理电路发送频响测试指令，所述信号调理电路与数字舵系统连接，以向数字舵系统发送正弦波控制信号，数字舵系统与角度传感器连接，通过角度传感器将舵系统输出的数字信号转换为模拟电压，通过与角度传感器连接的数据采集卡同步采集数据，并将数据传输给工控机进行频率响应特性测试计算。
2.根据权利要求1所述的数字舵系统频率响应特性的测试装置，其特征在于：所述旋转式角度传感器输入为舵机的实时转角，输出为模拟电压，完成舵机转角的实时模拟反馈。
3.根据权利要求1所述的数字舵系统频率响应特性的测试装置，其特征在于：所述信号调理电路实现对数字舵系统的正弦波控制信号输入，实施过程为调理电路接收到上位机发出的频率响应测试命令后，将N≥8个完整周期的固定幅值和频率的正弦波信号在满足香浓采样定理的前提下离散化，并以一定周期通过通信接口下发到数字舵系统，而且电路在发出控制指令的同时向数据采集卡发送触发信号。
4.根据权利要求1所述的数字舵系统频率响应特性的测试装置，其特征在于：所述数据采集卡在接收到信号调理电路发出的触发指令后，能够以连续模式采集角度传感器的反馈信号。
5.根据权利要求1所述的数字舵系统频率响应特性的测试装置，其特征在于：所述测试模块运行测试软件，用以向信号调理电路发送“频率响应特性测试”指令，驱动数据采集卡并记录采集数据，并基于傅里叶变换算法实现幅频特性和相频特性的计算。
6.一种数字舵系统的频率响应特性测试方法，其特征在于，包括：
步骤1、将舵机输出轴与角度传感器输入轴通过工装进行机械连接；
步骤2、将数字舵系统的通信接口与权利要求1-4所述的测试装置的通信接口进行连接；
步骤3、由测试装置通过通信接口向数字舵系统发送固定幅值和频率的正弦波控制信号，测试装置同步采集旋转式角度传感器的输出信号，即舵机转动角度；
步骤4、数据采集完成后，测试装置中的上位机软件利用傅里叶变换方法完成舵系统幅频特性、相频特性的计算。
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