针对总线式运动控制系统的综合性能测试装置的制作方法

本实用新型涉及一种针对总线式运动控制系统的综合性能测试装置。

背景技术：

基于工业以太网的运动控制总线如EtherCAT、SERCOS等，具有通信速率高、抗干扰性能好、实时性能强等优点，已经逐渐取代了运动控制器和伺服驱动器之间传统的脉冲和模拟量等接口方式。运动控制总线的数字化特征，将整个运动控制系统转化为一个全数字化的整体。由此，运动控制器和伺服驱动器之间可以实现更加开放式的数据交互，并在此基础上可以设计更加优良的控制算法，间接提升了运动控制系统的整体性能。

为提升运动控制系统的整体性能，需要从运动控制器、伺服驱动器和伺服电机等三方面进行整体优化设计。而一个客观有效的性能测试数据，是产品优化设计的一个重要参考依据，因此需要客观有效的测试方法以评测运动控制系统的整体性能。

目前针对伺服电机转速转矩的传感测量技术已经得到普及应用，并且在此基础上形成了针对伺服驱动系统的测量平台，相关文献可参见：曹宇、李叶松发表的《伺服系统特性测试分析平台设计》（《微电机》，2013，46(10)），滕福林、胡育文、李宏胜、邓伟、黄家才发表的《伺服系统性能测试和分析平台》（《电气传动》，2011，41(01)），王传军发表的《交流伺服系统特性分析与测试》（《电机与控制应用》，2018，45(06)）等。

但是，现有技术中的测试平台仅针对伺服驱动器和伺服电机进行测试，缺少对运动控制器和多台伺服系统的联合测试，无法分析整个运动控制系统的综合性能。

申请号为201310136420.8的实用新型专利针对总线式运动控制系统，给出了一种通过分析采集的运动控制总线数据测试运动控制系统的方法，但是仅针对运动控制器和伺服驱动器，无法同步测试伺服电机实际的转速转矩，且由于时钟抖动误差的存在，该专利方案所采集的运动控制数据，无法与已测得的转速转矩数据进行基于时间相序的精密数据融合。

因此，为综合分析运动控制系统的性能，需一种新的测试方法，实现对运动控制器和多轴伺服驱动器及伺服电机的联合测试。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种针对总线式运动控制系统的综合性能测试装置，其目的在于：实现对运动控制器和多轴伺服驱动器及伺服电机的联合测试。

本实用新型技术方案如下：

一种针对总线式运动控制系统的综合性能测试装置，待测的目标运动控制系统包括运动控制器以及若干由运动控制器所控制的伺服驱动器，所述伺服驱动器连接有伺服电机，所述伺服电机连接有负载，其特征在于：所述测试装置包括上位机和下位机；

所述下位机包括数据侦听器以及若干脉冲采集模块；

所述数据侦听器通过EtherCAT总线与运动控制器以及伺服驱动器相连接构成第一EtherCAT网络，所述数据侦听器用于采集第一EtherCAT网络中运动控制器的控制数据和伺服驱动器的状态数据；

所述伺服电机上安装有转速转矩传感器，所述转速转矩传感器用于检测伺服电机的转速和转矩；转速转矩传感器还用于将采集的转速转矩数值转换为指定规格的输出脉冲信号；所述脉冲采集模块与各转速转矩传感器一一对应连接，用于采集各伺服电机驱动负载时的转速转矩数据；

所述数据侦听器还与各脉冲采集模块通过EtherCAT总线相连接构成第二EtherCAT网络，所述各脉冲采集模块用于以数据侦听器的时钟为参考时钟、周期性同步采集转速转矩数据并记录同步信号触发时刻值并转发至上位机；

所述数据侦听器还与所述上位机相连接，用于将运动控制器的控制数据、伺服驱动器的状态数据以及伺服电机的转速转矩数据发送至上位机；

所述数据侦听器还包括统一时钟源，所述统一时钟源用于统一第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络的时钟信号。

作为本实用新型的进一步改进：所述上位机中设有第一网口和第二网口；

所述数据侦听器还包括CPU、FPGA芯片、EtherCAT从站芯片、网口A、网口B、网口C、网口D和网口E；

所述CPU、FPGA和EtherCAT从站芯片均与所述统一时钟源相连接；

所述网口A和网口B分别与所述FPGA芯片相连接，所述FPGA芯片还与所述CPU相连接；网口A与运动控制器相连接，网口B与伺服驱动器相连接，以构成所述的第一EtherCAT网络；所述FPGA芯片用于实现网口A与网口B之间的数据转发，还用于通过网口A采集运动控制器的控制数据、且通过网口B采集伺服驱动器的状态数据，并用于将通过网口A和网口B所采集的数据加入时间戳后发送至CPU；

所述CPU与所述网口E相连接，所述网口E与所述上位机第一网口相连接、用于将FPGA芯片采集到的数据发送到上位机；

数据侦听器中的EtherCAT从站芯片与所述网口D相连接，所述网口D通过EtherCAT总线与各脉冲采集模块中的EtherCAT从站芯片相连接以构成所述的第二EtherCAT网络，所述脉冲采集模块用于根据EtherCAT从站芯片的同步信号采集转速转矩传感器的脉冲数值并通过第二EtherCAT网络将采集的数据经过数据侦听器发送至上位机；

所述数据侦听器中的EtherCAT从站芯片还与所述CPU相连接，用于将所述周期性同步信号发送至CPU；所述CPU用于记录所述周期性同步信号生成的时间戳并发送至第二EtherCAT网络的主站即上位机中；

所述数据侦听器中的EtherCAT从站芯片还与所述网口C相连接，所述网口C与所述第二网口相连接。

相对于现有技术，本实用新型具有以下积极效果：（1）本实用新型可以同时采集运动控制器的控制数据、伺服驱动器的状态数据以及伺服电机的转速转矩数据，从而实现对运动控制器和多轴伺服驱动器及伺服电机的联合测试；（2）基于EtherCAT网络化拓扑结构和高精密的同步特性，实现了对多个伺服电机转速转矩分布式同步测量，采集周期可达到50微秒；（3）本实用新型设计的数据侦听器统一了运动控制总线上的运动控制数据以及伺服电机真实的转速转矩数据的采集时序，为实现基于时间相序的精密数据融合提供了可行性；（4）本实用新型在实际应用时无需修改原有运动控制系统中运动控制器和伺服驱动器的控制程序或参数配置，即可测试运动控制系统的综合性能，对待测运动控制系统的影响极小，可以真实客观地反映运动控制系统的综合性能。

综上可见，本实用新型具有实用性强、测试数据系统全面、测试精度高等特点，有较好的实用价值和应用前景。

附图说明

图1为本实用新型的框架示意图。

图2为本实用新型数据侦听器的框架示意图。

图3为转速转矩传感器的安装位置示意图。

图4为EtherCAT网络的时序关系图。

图5为基于时间相位的数据融合流程图。

图6为融合之后的数据记录格式示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的技术方案：

如图1，一种针对总线式运动控制系统的综合性能测试装置，待测的目标运动控制系统包括运动控制器以及若干由运动控制器所控制的伺服驱动器，所述伺服驱动器连接有伺服电机，所述伺服电机连接有负载。

目标待测运动控制系统使用EtherCAT作为运动控制总线，这是一种开放式协议的运动控制总线，可便于从总线数据中提取出运动控制数据。

所述测试装置主要包括上位机和下位机两部分。

所述下位机包括数据侦听器以及若干脉冲采集模块；每个下位机节点的内部均集成EtherCAT从站，以工业以太网数据侦听器的时钟作为EtherCAT的参考时钟。

所述数据侦听器通过EtherCAT总线与运动控制器以及伺服驱动器相连接构成第一EtherCAT网络，由运动控制器对各伺服驱动器的控制，使所述数据侦听器用于通过第一EtherCAT网络采集运动控制器的控制数据和伺服驱动器的状态数据。

如图3，所述伺服电机上安装有转速转矩传感器，转速转矩传感器位于伺服电机和传动负载模拟装置之间。所述转速转矩传感器可以实时检测伺服电机的转速和转矩，并同步转化为特定规格的脉冲信号。所述脉冲采集模块与各转速转矩传感器一一对应连接，用于采集各伺服电机驱动负载时的转速转矩数据。

如图1，所述数据侦听器还与各脉冲采集模块及上位机通过EtherCAT总线相连接构成第二EtherCAT网络，使能EtherCAT网络的DC模式即分布时钟模式，各脉冲采集模块以数据侦听器的时钟作为DC参考时钟，脉冲采集模块和数据侦听器内的EtherCAT从站芯片将周期性同时出发同步信号,以触发转速转矩数据的同步采集并记录同步信号触发时间值。

所述的脉冲采集模块可以从市面采购或基于FPGA开发。每个脉冲采集模块至少有两个脉冲采集通道，分别连接转速转矩传感器的转速输出通道和转矩输出通道。运行在上位机的数据融合软件，可根据传感器的参数规格将采集的脉冲值转换为转速和转矩。

所述数据侦听器还与所述上位机相连接，采集的运动控制器的控制数据、伺服驱动器的状态数据，将通过千兆以太网口发送到上位机；第二EtherCAT网络采集的伺服电机转速转矩数据以及采集时间值也将发送至上位机。

所述数据侦听器还包括统一时钟源，所述统一时钟源用于统一第一EtherCAT网络和第二EtherCAT网络的时钟信号。

上位机收到时钟信号一致的控制数据、状态数据和转速转矩数据之后，对数据按时序进行数据融合，作为后续测试数据分析的基础。

具体的，如图1，上位机为至少具备第一网口和第二网口的IPC（工业计算机），其中一个为千兆以太网。在IPC上运行Windows操作系统，并在其上安装实时拓展软件和EtherCAT主站软件，使该PC成为一个高实时性的EtherCAT主站，满足EtherCAT的实时性要求，并在其上运行EtherCAT主站和数据融合分析软件。

如图2，所述数据侦听器还包括CPU、FPGA芯片、EtherCAT从站芯片、网口A、网口B、网口C、网口D和网口E,。

所述CPU、FPGA和EtherCAT从站芯片均与所述统一时钟源相连接。

所述网口A和网口B分别与所述FPGA芯片相连接，所述FPGA芯片还与所述CPU相连接；网口A和网口B接入目标运动控制系统的第一EtherCAT网络中，网口A与运动控制器相连接，网口B与伺服驱动器相连接，二者负责通信数据采集。所述FPGA芯片用于实现网口A与网口B之间的无延时数据转发，不会对待测运动控制系统的EtherCAT网络产生干扰，FPGA芯片还用于通过网口A采集运动控制器的控制数据、且通过网口B采集伺服驱动器的状态数据，并用于将通过网口A和网口B所采集的数据加入数据包到达时的时间戳后发送至CPU。

所述CPU与所述网口E相连接，网口E为千兆工业以太网接口，所述网口E与千兆的第一网口相连接、用于将FPGA芯片采集到的数据根据数据来源的网口和时间排序之后发送到上位机。

网口C和网口D接入测试系统的第二EtherCAT网络中，作为EtherCAT从站通信接口，分别连接IPC和各个脉冲采集模块实现转速转矩数据的采集和上传：数据侦听器中的EtherCAT从站芯片与所述网口D相连接，所述网口D通过EtherCAT总线以线性方式与各脉冲采集模块中的EtherCAT从站芯片相连接以构成所述的第二EtherCAT网络，，利用EtherCAT网络的DC机制，各个脉冲采集模块和数据侦听器内的EtherCAT从站芯片会周期性同时触发同步信号，实现同步采集转速转矩传感器发出的脉冲数值，并通过第二EtherCAT网络将采集的数据发送至上位机，即基于IPC搭建的EtherCAT实时主站。

所述数据侦听器中的EtherCAT从站芯片还与所述CPU相连接，用于将所述周期性同步信号发送至CPU；所述CPU将根据所述周期性同步信号生成的时间戳数据存入过程数据对象即PDO中，经所述数据侦听器中的EtherCAT从站芯片发送至上位机，即基于IPC搭建的第二EtherCAT网络实时主站。EtherCAT从站芯片与CPU相结合的方式，可以精确记录脉冲采集时间值，确保时间抖动小于1微秒。

所述数据侦听器中的EtherCAT从站芯片还与所述网口C相连接，所述网口C与所述第二网口相连接，过程数据对象中的时间戳随脉冲采集模块在对应时间戳时刻采集的数值组成一个数据包，由EtherCAT网络返回至IPC的EtherCAT主站中。

如图1和2，基于上述测试系统的测试方法为：

通过第一EtherCAT网络采集运动控制器的控制数据和伺服驱动器的状态数据：网口A和网口B采集的以太网数据包，经过FPGA芯片处理后加入数据包到达相应网口时的时间戳，然后发送至CPU，再由网口E发送至上位机；

同时，通过第二EtherCAT网络采集各伺服电机转速转矩数据：利用EtherCAT的DC机制，数据侦听器和各脉冲采集模块的中的EtherCAT从站芯片生成周期性同步信号，同步信号到达时各个脉冲采集模块同步采集转速转矩传感器发出的脉冲数值，数据侦听器将记录同步信号触发时间，在第二EtherCAT网络的下一个循环通信周期将各脉冲采集模块采集的数值与所对应的时间戳组成数据包通过网口C返回至上位机中的EtherCAT主站上位机。

所述上位机使用WireShark从千兆网卡接口捕捉工业以太网数据侦听器上发的数据包，然后存入本地存储器中，记为文件A；EtherCAT主站软件周期性读取各个脉冲采集模块采集的脉冲值，以及工业以太网数据侦听器记录的脉冲采集触发时间，设计一个数据转存软件将采集的数据存入本地存储器中，记为文件B。至此，实现了对运动控制器和多轴伺服驱动器及伺服电机联合测试的同时钟源的数据采集。

然后，启动PC上的数据融合分析软件，基于时序对运动控制器的控制数据、伺服驱动器的状态数据以及伺服电机的转速转矩数据进行数据融合，获得各时刻分别对应的控制数据、状态数据和转速转矩数据。

如图4所示，Ta是运动控制器下发控制数据到达工业以太网数据侦听器网口A的时间；Tb是伺服驱动器反馈数据包到达工业以太网数据侦听器网口B的时间；Ts为数据侦听器的EtherCAT从站芯片的同步信号触发时间。根据待测运动控制系统与本测试系统的通信周期之间的大小关系，可以分为如图4所示的三种情况：关系A，待测运动控制系统与测试系统的通信周期相等；关系B，待测运动控制系统的通信周期小于测试系统的通信周期；关系C，待测运动控制系统的通信周期大于测试系统的通信周期。

由集成EtherCAT的工业以太网数据侦听器的设计原理可知，CPU、FPGA芯片和EtherCAT从站芯片共用统一时钟源，因此Ta、Tb和Ts都基于同一个时钟相序。三者之间的时序关系为Ta(x)< Ts(n) < Ta(x+1)和Ta(x)< Tb(x) < Ta(x+1)，x为待测运动控制系统中数据包的序号，Ta(x)时刻发出的控制数据与Tb(x)时刻的状态数据相对应。

上位机进行数据融合的目的是，对于某 Ts(n)，定位其所对应的Ta(x)和Tb(x)，从而获得时间相对应的一组控制数据——状态数据——转速转矩数据记录。融合过程由上位机的数据融合分析软件实现，具体方法为：

如图5所示，对某Ts时刻进行数据融合时，以该Ts为基准，求得Ta中小于当前Ts的Ta最大值Tamax，然后再求得Tb中大于Tamax的最小值Tbmin，Tamax对应的数据包包含Ts之前运动控制器下发的控制数据，Tbmin对应的数据包包含对应Tamax发送的控制数据的伺服驱动器状态数据，Ts对应的数据包包含该时刻伺服电机的转速转矩数据，这样就可以获得Ts时刻对应的运动控制器下发的控制数据、伺服驱动器状态数据和伺服电机真实的转速转矩数据。将此组数据同Ts时刻写入一条数据记录中作为该时刻的数据融合结果。一种典型的数据融合格式如图6所示。对于测试系统通信周期与待测运动控制系统的通信周期不相等的情况，将相邻的Ts和Ta、Tb数据补充至相应的数据段内。

至此，已经获得运动控制系统中运动控制器下发的控制数据、伺服驱动器反馈的状态数据以及对应伺服电机真实的转速转矩数据。在此基础上，加入一定的运动参考数据（如伺服电机的起始位置、电子齿轮比等），经过数据处理之后即可进行一致性数据分析等分析操作。