CN113030690A - 舵机电信号模拟装置、放大器测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种舵机电信号模拟装置、放大器测试装置及方法,舵机电信号模拟装置，用于为舵机放大器提供电性能测试信号，包括：占空比采集单元、PID控制单元；占空比采集单元，用于采集所述舵机放大器的输出脉冲信号的占空比；PID控制单元，用于根据脉冲信号的占空比与预设的标准占空比的偏差进行PID控制生成数字测试信号，以为舵机放大器提供电性能测试信号。本发明满足用户对于舵机放大器单独测试的需求，在其相应的测试设备中安装舵机模拟装置，其电性能特性类比真实舵机，成本低，体积小，重量轻，生产研制周期短，同时置可以根据用户需要定制多通道同时模拟舵机电性能特性，体积小，重量轻，成本低廉，研制周期短，可实施性强。

Description

舵机电信号模拟装置、放大器测试装置及方法
技术领域
本发明涉及信号处理技术，具体的讲是一种舵机电信号模拟装置、放大器测试装置及方法。
背景技术
舵系统由舵机和舵机放大器两部分组成。在整个舵系统的研制过程中，每块舵机放大器都需要进行单独的电性能测试，现有技术中，直接的解决方法就是提供一台真实的舵机并辅以功率较大的供电电源。
因为，不同舵系统的舵机放大器不尽相同，因此为每一型号的舵机放大器配置相应的舵机和功率电源的方法耗费成本过高，占用空间巨大，且舵机很多时候由于研制周期长，不能同步提供，不可取。因此，现有技术的方法并不适用于舵机放大器的批量测试。
发明内容
为替代真实的舵机对舵机放大器进行电性能测试，本发明实施例提供了一种舵机电信号模拟装置，用于为舵机放大器提供电性能测试信号，所述舵机电信号模拟装置包括：占空比采集单元、PID控制单元；
所述占空比采集单元，用于采集所述舵机放大器的输出脉冲信号的占空比；
所述PID控制单元，用于根据所述脉冲信号的占空比与预设的标准占空比的偏差进行PID控制生成数字测试信号，以为舵机放大器提供电性能测试信号。
本发明实施例中，所述的舵机电信号模拟装置还包括：电平转换单元；
所述的电平转换单元，用于对被测舵机放大器输出信号的幅值进行调整，将调整后的输出信号传输给所述占空比采集单元。
本发明实施例中，所述的舵机电信号模拟装置还包括：数模转换单元；
所述数模转换单元，用于将所述数字测试信号转换为模拟测试信号并传输给被测舵机放大器以进行电性能测试。
本发明实施例中，所述的PID控制单元包括：
延时控制子单元，用于对生成的数字测试信号进行延时控制。
本发明实施例中，所述的预设的标准占空比为0.5.
同时，本发明还提供一种舵机放大器测试装置，该测试装置包括：至少一个前述的舵机电信号模拟装置；
舵机放大器测试装置根据各舵机电信号模拟装置为各被测舵机放大器提供的电性能测试信号进行电性能测试。
本发明实施例中，所述的舵机放大器测试装置包括四个舵机电信号模拟装置，各舵机电信号模拟装置对应一被测的舵机放大器形成一测试通道，各测试通道并联。
同时，本发明还提供一种舵机放大器测试方法，利用前述的舵机放大器测试装置对舵机放大器进行电性能测试。
本发明满足用户对于舵机放大器单独测试的需求，在其相应的测试设备中安装舵机模拟装置，其电性能特性类比真实舵机，成本低，体积小，重量轻，生产研制周期短。舵机模拟装置可以根据用户需要定制多通道同时模拟舵机电性能特性，体积小，重量轻，成本低廉，研制周期短，可实施性强。同时本发明的舵机测试装置能够实现对舵机放大器的批量测试，克服现有技术中对舵机放大器进行测试时，每块舵机放大器电路需要辅以真实舵机配置生产，成本太高，且放置空间和体积均不允许的问题。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的舵机电信号模拟装置的框图；
图2为本发明一实施例提供的舵机电信号模拟装置的框图；
图3为本发明一实施例提供的舵机电信号模拟装置的框图；
图4为本发明实施例提供的四通道的舵机模拟装置组成示意图；
图5本发明实施例中单通道舵机模拟装置组成框图；
图6本发明一实施中电平转换单元电路图；
图7本发明一实施中PWM占空比采集单元和PID控制单元的连接示意图；
图8本发明数字PID控制原理示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种舵机电信号模拟装置，用于为舵机放大器提供电性能测试信号，如图1所示，本实施例的舵机电信号模拟装置包括：占空比采集单元101、PID控制单元102
占空比采集单元101，集舵机放大器的输出脉冲信号的占空比；
PID控制单元102，据脉冲信号的占空比与预设的标准占空比的偏差进行PID控制生成数字测试信号，以为舵机放大器提供电性能测试信号。
本发明一实施例中，占空比采集单元和PID控制单元由微处理器或FPGA构成硬件电路实现。微处理器可以是单片机，DSP或者ARM芯片。占空比采集单元通过采集得到输入信号占空比的数字信息后送到数字PID控制单元。
数字PID控制单元通过比较占空比的预设标准值与输入信号占空比的数字信息量，再利用PID控制算法自动校正PID控制单元输出信号的数字信息。PID控制算法是一种线性控制，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，即根据舵机放大器输出信号的占空比为舵机放大器提供电性能测试信号。
进一步，本发明实施例中，如图2所示，本发明实施例中的舵机电信号模拟装置还包括：电平转换单元103；
电平转换单元103，用于对被测舵机放大器输出信号的幅值进行调整，将调整后的输出信号传输给所述占空比采集单元。
电平转换单元，其功能是将舵机放大器输出的脉冲信号转换成占空比采集单元能够识别的脉冲信号。电平转换单元只改变信号幅值，不改变信号占空比。
进一步，如图3所示，本发明实施例中舵机电信号模拟装置还包括：数模转换单元104；
数模转换单元104，用于将数字测试信号转换为模拟测试信号并传输给被测舵机放大器以进行电性能测试。即本实施例提供一种可直接提供模拟测试信号的舵机信号模拟装置。
进一步，本发明实施例中，PID控制单元包括：
延时控制子单元，用于对生成的数字测试信号进行延时控制。
现有技术中，舵机放大器的测试仅仅需要的是舵机的电性能特性，并不关注其机械特性，因此，也就没有必要采用真实的舵机实现。对于舵系统整体的生产研制方(向用户同时提供舵机和舵机放大器)而言，如果舵系统整体升级或技术状态有所变更，而舵机放大器的研制周期又先于舵机，那么舵系统的生产研制方需要先对更改后的舵机放大器做电性能测试验证。如果单纯等待新制舵机的研制周期，时间过于紧迫，而采用本发明提供的舵机模拟装置，通过对模拟装置中软件参数或算法作出调整，就可以测试更改升级后的舵放电路的电性能，非常简单、快速。
本发明实施例中提供一具有四通道的舵机模拟装置的舵机放大器测试装置，其组成示意图如图4所示，本实施例中组建了包括A、B、C、D四个通道的舵机电性能模拟装置通路。舵机电性能模拟装置A，舵机电性能模拟装置B，舵机电性能模拟装置C，舵机电性能模拟装置D四个通道独立，分别与四个舵机放大器A，舵机放大器B，舵机放大器C，舵机放大器D对接测试，实现对四个舵机放大器的同时批量测试。
本实施例中提供的单通道舵机模拟装置组成框图如图5所示，本实施例中舵机模拟装置包括电平转换单元1，PWM占空比采集单元2，数字PID控制单元3和DAC单元4。
本实施例中舵机放大器由外部控制信号触发，其输出信号进入电平转换单元，电平转换单元输出信号进入PWM占空比采集单元，PWM占空比采集单元输出信号与标准占空比信号进入数字PID控制单元比较，数字PID控制单元输出信号再进入DAC单元，DAC单元输出信号最后进入舵机放大器，构成闭环控制系统。
本实施例中，舵机放大器接收外部激励信号，由功率运算放大器输出给舵机模拟装置，该信号是正负对称，幅值为U，占空比为D，且有一定电流I驱动能力的脉冲信号。通常，5<U≤28(V)，0<D<1，I>0.5A。
电平转换单元由高速光耦及相关阻容构成硬件电路，其功能是将舵机放大器输出的脉冲信号转换成PWM占空比采集单元能够识别的脉冲信号。电平转换单元只改变信号幅值，不改变信号占空比。
PWM占空比采集单元能够识别的脉冲信号是信号电平在(0～U)之间的脉冲信号。U电平取决于PWM占空比采集单元对输入信号的要求，或为2.5V或为3.3V或为5V等。
数字PID控制单元通过比较占空比的标准值0.5与输入信号占空比的数字信息量，再利用PID控制算法自动校正PID控制单元输出信号的数字信息。PID控制算法是一种线性控制，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)，将偏差e(t)的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制。
本实施例中，PWM占空比采集单元和PID控制单元由微处理器或FPGA构成硬件电路。微处理器可以是单片机，DSP或者ARM芯片。PWM占空比采集单元通过采集得到输入信号占空比的数字信息后送到数字PID控制单元。
DAC单元将所述数字PID控制单元输出的数字信号量转换成模拟信号接入舵机放大器。
舵机放大器再根据舵机模拟装置调节后的模拟信号和控制信号间的关系调整输出信号的占空比信息。舵机放大器输出信号的占空比信息量达到0.5时，整个闭环控制系统达到稳定状态。
如图6所示，本实施例中电平转换单元1包括两个分压电阻R11和R13，一个限流电阻R12，一个高速光耦B11及其相关的两个滤波电容C11和C12和集电极上拉电阻R14。
其中，信号(V0H，V0L)是舵机放大器5输出的正负对称，幅值为U0，占空比为D0，周期为T0且有一定电流I0驱动能力的方脉冲信号。5<U0≤28V，0<D0<1，I0>0.5A。所述占空比是指(0～1)之间的任意值，其变化取决于控制信号与舵机模拟装置的输出关系。
图6所示，本实施例中高速光耦B11的选取中有两个重要参数需要考虑，光耦输出晶体管的工作电压和光耦的转换速度。光耦B11输出晶体管的工作电压由图5所示的PWM占空比采集单元2需要的电平电压决定。
本发明实施例中，光耦B11的转换速度需要满足大于100/T0的条件，即根据被测舵机放大器的输出信号的周期决定。电容C11和C12和集电极上拉电阻R14参数选取决定于高速光耦B11手册的推荐值。分压电阻R11和R13，限流电阻R12的参数，应满足以下分析状态。
(1)当V0H>V0L时，B11前向支路不通，输出信号V0out为高电平，电平电压接近Vdd。舵机放大器5输出信号电流只经过R11和R13。考虑到B11前向二极管的反向击穿电压UBR，R13上的电压需满足公式(1)：
Figure BDA0002332680710000061
(2)当V0L>V0H时，舵机放大器5输出信号电流经过R11后分成两个支路，一条支路是电阻R13，流经电流I1；一条支路是R12和B11，流经电流I2。电流I1，I2的大小需满足公式(2)：
I1+I2<I0………………………(2)
B11前向二极管的输入电流I2通常取(5～10)mA，导通压降以0.7V约计，得到公式(3)，(4)：
I2*R12+0.7＝I1*R13…………………………(3)
(I1+I2)*R11+R13*I1＝U0……………………(4)
本实施例是四通道的舵机模拟装置，所以同时存在如图7所示的四个电平转换单元电路。
如图7所示，PWM占空比采集单元2和PID控制单元3硬件电路采用DSP或FPGA 23实现。
电平转换单元1的输出信号与DSP或FPGA的I/O相连，DSP或FPGA的I/O再与DAC单元4相连。
数字PID控制原理示意图如图8所示，PID调节器由比例调节器(P)，积分调节器(I)和微分调节器(D)构成，通过对偏差值的比例、积分和微分运算后，用计算所得的控制量来控制被控对象。
其中，R为设定的期望值，本实施例期望值就是占空比D＝0.5；y是控制变量，本实施例的控制变量就是如图5所示DAC单元4输出给舵机放大器5的信号；S为实际输出值，本实施例的PWM占空比采集单元2采集得到的占空比信息量；e是控制偏差(e＝R-S)，本实施例的控制偏差就是PWM占空比采集单元2采集得到的占空比信息量与占空比期望值0.5的偏差。本实施例采用以下公式(5)的PID算法。
Figure BDA0002332680710000071
式(5)中，yn是调节器第n次控制变量的输出；yn-1是调节器第(n－1)次控制变量的输出；
en是第n次采样周期内所获得的偏差信号，en-1是第n-1次采样周期内所获得的偏差信号，en-2是第n-2次采样周期内所获得的偏差信号；
T为采样时间，Ti、Td分别为积分时间常数和微分时间常数；K p、K i、Kd分别为比例增益、积分增益和微分增益。正确地整定PID数字控制器的参数K p、Ki、Kd是PID控制的关键。
由于数字电路的运算速度是非常快的，而实际舵机的过渡过程时间则相对较慢，因此，在PID控制单元增加了延时控制，即增加反映速度调节，通过调节该参数来调节舵机模拟装置的反应速度
由于本实施例是四通道的舵机模拟装置，所以同时存在如图8所示四个独立的PWM占空比采集单元和PID控制单元的硬件通路。即DSP或FPGA所用I/O数量是四倍于单通道I/O数量的关系，本实施例中的四通道舵机模拟装置各通道共用一DAC单元，即本实施例中的DAC单元采用的DA芯片同时支持四通道的并行转换。本实施例中的多通道的舵机模拟装置可扩展通道数上限由DAC单元能够同时转换的信号通路数决定，对本领域技术人员可知，信号通路数并不限定于本实施例中四通道。
本发明的优点在于：
(1)对于存在舵机放大器单独测试需求的用户，在其相应的测试设备中安装舵机模拟装置，其电性能特性类比真实舵机，成本低，体积小，重量轻，生产研制周期短，满足用户需要。
(2)对于需要批量测试舵机放大器的用户(类似舵机放大器独立的生产方)，每块电路如果辅以真实舵机配置生产，成本太高，且放置空间和体积均不允许。本实施例提供的舵机模拟装置可以根据用户需要定制多通道同时模拟舵机电性能特性，体积小，重量轻，成本低廉，研制周期短，可实施性强。
(3)对于舵系统整体的生产研制方(向用户同时提供舵机和舵机放大器)而言，如果舵系统整体升级或技术状态有所变更，而舵机放大器的研制周期又先于舵机，那么舵系统的生产研制方需要先对更改后的舵机放大器做电性能测试验证。如果单纯等待新制舵机的研制周期，时间过于紧迫，而采用舵机模拟装置的方法(即通过对模拟装置中软件参数或算法作出调整)，就可以测试更改升级后的舵放电路的电性能，非常简单、快速。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种舵机电信号模拟装置，用于为舵机放大器提供电性能测试信号，其特征在于，所述舵机电信号模拟装置包括：占空比采集单元、PID控制单元；
所述占空比采集单元，用于采集所述舵机放大器的输出脉冲信号的占空比；
所述PID控制单元，用于根据所述脉冲信号的占空比与预设的标准占空比的偏差进行PID控制生成数字测试信号，以为舵机放大器提供电性能测试信号。
2.如权利要求1所述的舵机电信号模拟装置，其特征在于，所述的舵机电信号模拟装置还包括：电平转换单元；
所述的电平转换单元，用于对被测舵机放大器输出信号的幅值进行调整，将调整后的输出信号传输给所述占空比采集单元。
3.如权利要求1所述的舵机电信号模拟装置，其特征在于，所述的舵机电信号模拟装置还包括：数模转换单元；
所述数模转换单元，用于将所述数字测试信号转换为模拟测试信号并传输给被测的舵机放大器以进行电性能测试。
4.如权利要求1所述的舵机电信号模拟装置，其特征在于，所述的PID控制单元包括：
延时控制子单元，用于对生成的数字测试信号进行延时控制。
5.如权利要求1所述的舵机电信号模拟装置，其特征在于，所述的预设的标准占空比为0.5。
6.一种舵机放大器测试装置，其特征在于，所述的测试装置包括：至少一个如权利要求1-5中任一项所述的舵机电信号模拟装置；
所述舵机放大器测试装置根据各舵机电信号模拟装置为各被测舵机放大器提供的电性能测试信号进行电性能测试。
7.如权利要求6所述的舵机放大器测试装置，其特征在于，所述的舵机放大器测试装置包括四个舵机电信号模拟装置，各舵机电信号模拟装置对应一被测的舵机放大器形成一测试通道，各测试通道并联。
8.一种舵机放大器测试方法，其特征在于，所述的方法利用权利要求6-7中任一权项所述的舵机放大器测试装置对舵机放大器进行电性能测试。
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