一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試系統(tǒng)及測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試系統(tǒng)及測試方法，系統(tǒng)包括被測精密伺服機構(gòu)、伺服機構(gòu)參數(shù)測試儀和數(shù)據(jù)處理顯示終端工控機。被測精密伺服機構(gòu)由閉環(huán)回路控制方式達到一個機械系統(tǒng)位置、速度或加速度控制的系統(tǒng)。測試方法包括掃頻法、階躍法，白噪聲法或Multitone法，激勵信號為多種可選，有利于減小不同機構(gòu)的不同特性所造成的誤差，本發(fā)明利用微型計算機強大的軟件功能和圖形環(huán)境進行伺服系統(tǒng)諧振頻率測試儀的研究與開發(fā)，具有操作方便、操作程序化、性價比高等優(yōu)點，可以更好地滿足科研和工程設計的需要。
【專利說明】一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試系統(tǒng)及測試方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于機電系統(tǒng)領域，特別是可用作機電系統(tǒng)測試技術(shù)和精密測量系統(tǒng)領域并可用于信息處理領域的一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試系統(tǒng)及測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在典型的工業(yè)控制系統(tǒng)設備中，伺服電機通過具有有限穩(wěn)定性的傳動機械與執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)接，其系統(tǒng)的傳遞函數(shù)常含有零點和一對共軛極點，因而，容易引起機械諧振現(xiàn)象。負載的影響及輸入(輸出)信號的變化都可能導致諧振現(xiàn)象的發(fā)生。
[0003]頻率特性是一個系統(tǒng)對不同頻率正弦輸入信號的響應特性。與傳遞函數(shù)一樣，頻率特性也是一種數(shù)學模型。他描述了系統(tǒng)的內(nèi)在特性，與外界因素無關(guān)。當系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)給定了，則系統(tǒng)的頻率特性也完全確定。對于低頻電路，若只關(guān)心電路系統(tǒng)的傳輸特性，可以用傳輸函數(shù)來描述。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以通過零輸入和零狀態(tài)響應來求得，而無需知道內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)等信息。因此只需要知道系統(tǒng)的輸入和輸出就可以測出系統(tǒng)的頻率特性。基本的測量方法有兩種:動態(tài)測量法和穩(wěn)態(tài)測量法。
[0004]傳統(tǒng)的頻率特性測試方法大多是用LC電路構(gòu)成振蕩器或是敲擊法或是振動試驗。用LC電路構(gòu)成振蕩器，結(jié)構(gòu)復雜、功能單一且不易于其它設備連接，而且只能顯示幅頻特性曲線，不能得到相頻特性曲線，給使用者帶來諸多的不便，在實際應用中受到很大的限制；敲擊法試驗設備簡單，是給勻質(zhì)細桿軸向施加一個頻率無限寬振幅隨頻率增大而逐漸衰減的激振力，敲擊力較小時圖像中的振幅較小，隨著敲擊力的增大圖像振幅增大，波形嚴重畸變導致無法準確識別信號的頻率，所以在測試中必須監(jiān)視敲擊波形處在簡諧狀態(tài)，合理地施加敲擊力，所以就導致了敲擊力的難以掌控，測試精度達不到要求，操作困難重復性低；相比較下振動試驗比較繁瑣，效率低下，無法達到工業(yè)生產(chǎn)的要求。隨著電子科技的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的頻率特性測試儀已經(jīng)無法完全滿足科研人員的需要。對于數(shù)字化、智能化高性能頻率特性測試儀的需求日益增大。隨著微電子技術(shù)和計算機的飛速發(fā)展，測試技術(shù)與計算機深層次的結(jié)合使得測試儀器領域出現(xiàn)了一種全新的儀器結(jié)構(gòu)即虛擬儀器。它徹底改變了傳統(tǒng)的儀器觀，從根本上更新了測量儀器的概念，它的性能優(yōu)越，成本低廉，用戶可自行配置軟件，這使虛擬儀器的應用范圍不斷擴大在國內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展。因此虛擬儀器代表了測量儀器發(fā)展的方向，用虛擬儀器替代傳統(tǒng)儀器是提高儀器設備智能化的行之有效的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試系統(tǒng)及測試方法，該方法能以其操作簡便、性價比高，新穎、清晰的圖形曲線顯示，以及方便的數(shù)據(jù)輸出、打印等功能優(yōu)點，可以更好地滿足科研和工程設計的需要。
[0006]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的。
[0007]—種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試系統(tǒng)，包括一個被測精密伺服機構(gòu)，一個用于測量被測精密伺服機構(gòu)的伺服機構(gòu)參數(shù)測試儀，以及一個用于控制伺服機構(gòu)參數(shù)測試儀的數(shù)據(jù)處理顯示終端工控機；
[0008]所述被測精密伺服機構(gòu)包括通過框架固定軸支撐的底座，所述底座上設置有伺服電機，伺服電機通過傳動減速齒輪組嚙合連接位置傳感器，位置傳感器連接負載盤；所述伺服電機通過數(shù)據(jù)傳輸電纜與伺服機構(gòu)參數(shù)測試儀相連；
[0009]所述伺服機構(gòu)參數(shù)測試儀包括通過數(shù)據(jù)傳輸電纜與被測精密伺服機構(gòu)相連的電機驅(qū)動器，所述電機驅(qū)動器分別連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理卡和多軸運動控制卡，多軸運動控制卡通過數(shù)據(jù)傳輸電纜連接工控機；
[0010]所述工控機包括通過數(shù)據(jù)傳輸電纜連接的工控機主機，工控機主機連接有工控機顯示器；
[0011]伺服電機經(jīng)傳動減速齒輪組帶動置于負載盤上的負載運動，負載與位置傳感器同軸同步運動，其負載的位置信息由位置傳感器傳送給伺服機構(gòu)參數(shù)測試儀做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并經(jīng)由工控機控制計算得到測試精密伺服機構(gòu)的諧振頻率。
[0012]進一步地，所電機驅(qū)動器內(nèi)嵌有用于驅(qū)動伺服電機精確運動的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三環(huán)反饋控制環(huán)。
[0013]進一步地，所述被測精密伺服機構(gòu)中的位置傳感器連接負載盤為單軸伺服機構(gòu)或多軸伺服機構(gòu)。
[0014]進一步地，所述傳動減速齒輪組為單級減速、多級增速、單級增速或者電機直拖。
[0015]進一步地，所述位置傳感器為旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器、陀螺、光柵中任意一種或多種。
[0016]相應地，本發(fā)明還給出一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試方法，該方法包括下述步驟:
[0017]I)首先對系統(tǒng)初始化，在工控機上設置伺服機構(gòu)參數(shù)測試儀的電機驅(qū)動器和多軸運動控制卡的伺服機構(gòu)控制參數(shù)PID ；
[0018]2)再在工控機上設置激勵信號的參數(shù)，包括激勵時間tsean，采樣率f s一ing，采用掃頻法進行諧振頻率測試，頻率范圍中起始頻率fstart和終止頻率fmd，激勵信號St (t)幅值
【權(quán)利要求】
1.一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試系統(tǒng)，包括一個被測精密伺服機構(gòu)(101)，一個用于測量被測精密伺服機構(gòu)(101)的伺服機構(gòu)參數(shù)測試儀(109)，以及一個用于控制伺服機構(gòu)參數(shù)測試儀(109)的數(shù)據(jù)處理顯示終端工控機(114);其特征在于， 所述被測精密伺服機構(gòu)(101)包括通過框架固定軸(103)支撐的底座(108)，所述底座(108)上設置有伺服電機(105)，伺服電機(105)通過傳動減速齒輪組(104)嚙合連接位置傳感器(107)，位置傳感器(107)連接負載盤(102);所述伺服電機(105)通過數(shù)據(jù)傳輸電纜(106)與伺服機構(gòu)參數(shù)測試儀(109)相連； 所述伺服機構(gòu)參數(shù)測試儀(109)包括通過數(shù)據(jù)傳輸電纜(106)與被測精密伺服機構(gòu)(101)相連的電機驅(qū)動器(111)，所述電機驅(qū)動器(111)分別連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理卡(110)和多軸運動控制卡(112)，多軸運動控制卡(112)通過數(shù)據(jù)傳輸電纜(113)連接工控機(114)； 所述工控機(114)包括通過數(shù)據(jù)傳輸電纜(113)連接的工控機主機(116)，工控機主機(116)連接有工控機顯示器(115)； 伺服電機(105)經(jīng)傳動減速齒輪組(104)帶動置于負載盤(102)上的負載運動，負載與位置傳感器(107)同軸同步運動，其負載的位置信息由位置傳感器(107)傳送給伺服機構(gòu)參數(shù)測試儀(109)做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并經(jīng)由工控機(114)控制計算得到測試精密伺服機構(gòu)的諧振頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試系統(tǒng)，其特征在于，所電機驅(qū)動器(111)內(nèi)嵌有用于驅(qū)動伺服電機(105)精確運動的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三環(huán)反饋控制環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述被測精密伺服機構(gòu)(101)中的位置傳感器(107)連接負載盤(102)為單軸伺服機構(gòu)或多軸伺服機構(gòu)； 所述傳動減速齒輪組(104)為單級減速、多級增速、單級增速或者電機直拖； 所述位置傳感器(107)為旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器、陀螺、光柵中任意一種或多種。
4.一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試方法，其特征在于，該方法包括下述步驟: 1)首先對系統(tǒng)初始化，在工控機(114)上設置伺服機構(gòu)參數(shù)測試儀(109)的電機驅(qū)動器(111)和多軸運動控制卡(112)的伺服機構(gòu)控制參數(shù)PID ； 2)再在工控機(114)上設置激勵信號的參數(shù)，包括激勵時間％_，采樣率fsampling，采用掃頻法進行諧振頻率測試，頻率范圍中起始頻率fstart和終止頻率fmd，激勵信號St (t)幅值^ = ^rated，激勵時間≥ 30s ; 3)在伺服機構(gòu)參數(shù)測試儀(109)的傳感器選擇開關(guān)(117)上設置不同位置傳感器的設定鍵；以及在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理卡(110)上選擇對應不同位置傳感器的相應的數(shù)據(jù)傳輸處理模塊； 4)在工控機(114)上發(fā)出測試指令，由多軸運動控制卡(112)發(fā)出激勵信號St(t)，并由伺服電機驅(qū)動器111驅(qū)動伺服電機(105)運動； 5)多軸運動控制卡(112)按設置的采樣頻率fsampling采集伺服電機(105)的運動速度信息Vt(t)；6)此時工控機(114)將激勵信號St(t)和響應信號Vt(t)繪制時域曲線； 7)在工控機(114)上對St(t)和Vt(t)會做相應的數(shù)據(jù)進行變換處理，去噪，濾波，幅頻變換后，得出相應的頻域變換曲線，由頻域變換曲線得到精密伺服機構(gòu)諧振頻率初測值f.resonance ， 8)重復操作以上步驟4)至7)，得到多組諧振頻率，求平均值，即為精密伺服機構(gòu)諧振頻率
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試方法，其特征在于，在步驟2)中設置的頻率范圍，即起始頻率fstart和終止頻率fend ;其中fend_fstart ≤ 100Hz，本方法中取值為fstart = (n) Hz, fend = (100+n) Hz, (n = 100, 200, 300…)，重復測試每組頻率直至測出諧振頻率為止。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試方法，其特征在于，在步驟2)中的采樣率fsampling必須滿足fsampling≥2 X fend, 一般取3到4倍的fmd或者更高。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試方法，其特征在于，在步驟7)中對St(t)和Vt(t)會做相應的數(shù)據(jù)進行變換處理，Vt (t)上傳給工控機(114)首先經(jīng)過帶通濾波器截止頻率設為0.5倍的fstart和2倍的fmd，然后對激勵信號St (t)和響應信號Vt (t)分別做FFT分析或功率譜分析得到S (ω)和V (ω)，再將得到S (ω)和V (ω)幅值相比相位相減便得到幅頻曲線和相頻曲線，最后工控機(114)索引出幅頻曲線的諧振突變點，從而顯示諧振頻率初測值
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試方法，其特征在于，步驟2)中測試方法進一步包括階躍法，所述采用階躍法進行諧振頻率測試，在工控機上設置激勵信號的參數(shù)，包括激勵信號St (t)幅值Vmax，激勵時間t_n，其中，階躍法中的激勵信號St⑴幅值
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試方法，其特征在于，步驟2)中測試方法進一步包括白噪聲法，所述采用白噪聲法進行諧振頻率測試，在工控機(114)上設置激勵信號的參數(shù)，包括激勵信號St(t)幅值
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種精密伺服機構(gòu)諧振頻率的測試方法，其特征在于，步驟2)中測試方法進一步包括Multitone法,所述采用Multitone法進行諧振頻率測試,在工控機(114)上設置激勵信號的參數(shù)，包括激勵信號St (t)幅值
【文檔編號】G01R23/02GK104034962SQ201410186545
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】王衛(wèi)東, 王和寧, 馬伯淵, 李偉, 李建文 申請人:西安電子科技大學