一种精密伺服机构谐振频率的测试系统及测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种精密伺服机构谐振频率的测试系统及测试方法，系统包括被测精密伺服机构、伺服机构参数测试仪和数据处理显示终端工控机。被测精密伺服机构由闭环回路控制方式达到一个机械系统位置、速度或加速度控制的系统。测试方法包括扫频法、阶跃法，白噪声法或Multitone法，激励信号为多种可选，有利于减小不同机构的不同特性所造成的误差，本发明利用微型计算机强大的软件功能和图形环境进行伺服系统谐振频率测试仪的研究与开发，具有操作方便、操作程序化、性价比高等优点，可以更好地满足科研和工程设计的需要。
【专利说明】一种精密伺服机构谐振频率的测试系统及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机电系统领域，特别是可用作机电系统测试技术和精密测量系统领域并可用于信息处理领域的一种精密伺服机构谐振频率的测试系统及测试方法。
【背景技术】
[0002]在典型的工业控制系统设备中，伺服电机通过具有有限稳定性的传动机械与执行机构联接，其系统的传递函数常含有零点和一对共轭极点，因而，容易引起机械谐振现象。负载的影响及输入(输出)信号的变化都可能导致谐振现象的发生。
[0003]频率特性是一个系统对不同频率正弦输入信号的响应特性。与传递函数一样，频率特性也是一种数学模型。他描述了系统的内在特性，与外界因素无关。当系统结构参数给定了，则系统的频率特性也完全确定。对于低频电路，若只关心电路系统的传输特性，可以用传输函数来描述。系统的传递函数可以通过零输入和零状态响应来求得，而无需知道内部结构和参数等信息。因此只需要知道系统的输入和输出就可以测出系统的频率特性。基本的测量方法有两种:动态测量法和稳态测量法。
[0004]传统的频率特性测试方法大多是用LC电路构成振荡器或是敲击法或是振动试验。用LC电路构成振荡器，结构复杂、功能单一且不易于其它设备连接，而且只能显示幅频特性曲线，不能得到相频特性曲线，给使用者带来诸多的不便，在实际应用中受到很大的限制；敲击法试验设备简单，是给匀质细杆轴向施加一个频率无限宽振幅随频率增大而逐渐衰减的激振力，敲击力较小时图像中的振幅较小，随着敲击力的增大图像振幅增大，波形严重畸变导致无法准确识别信号的频率，所以在测试中必须监视敲击波形处在简谐状态，合理地施加敲击力，所以就导致了敲击力的难以掌控，测试精度达不到要求，操作困难重复性低；相比较下振动试验比较繁琐，效率低下，无法达到工业生产的要求。随着电子科技的飞速发展，传统的频率特性测试仪已经无法完全满足科研人员的需要。对于数字化、智能化高性能频率特性测试仪的需求日益增大。随着微电子技术和计算机的飞速发展，测试技术与计算机深层次的结合使得测试仪器领域出现了一种全新的仪器结构即虚拟仪器。它彻底改变了传统的仪器观，从根本上更新了测量仪器的概念，它的性能优越，成本低廉，用户可自行配置软件，这使虚拟仪器的应用范围不断扩大在国内外得到了迅速的发展。因此虚拟仪器代表了测量仪器发展的方向，用虚拟仪器替代传统仪器是提高仪器设备智能化的行之有效的方法。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提供一种精密伺服机构谐振频率的测试系统及测试方法，该方法能以其操作简便、性价比高，新颖、清晰的图形曲线显示，以及方便的数据输出、打印等功能优点，可以更好地满足科研和工程设计的需要。
[0006]本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
[0007]—种精密伺服机构谐振频率的测试系统，包括一个被测精密伺服机构，一个用于测量被测精密伺服机构的伺服机构参数测试仪，以及一个用于控制伺服机构参数测试仪的数据处理显示终端工控机；
[0008]所述被测精密伺服机构包括通过框架固定轴支撑的底座，所述底座上设置有伺服电机，伺服电机通过传动减速齿轮组啮合连接位置传感器，位置传感器连接负载盘；所述伺服电机通过数据传输电缆与伺服机构参数测试仪相连；
[0009]所述伺服机构参数测试仪包括通过数据传输电缆与被测精密伺服机构相连的电机驱动器，所述电机驱动器分别连接数据转换处理卡和多轴运动控制卡，多轴运动控制卡通过数据传输电缆连接工控机；
[0010]所述工控机包括通过数据传输电缆连接的工控机主机，工控机主机连接有工控机显示器；
[0011]伺服电机经传动减速齿轮组带动置于负载盘上的负载运动，负载与位置传感器同轴同步运动，其负载的位置信息由位置传感器传送给伺服机构参数测试仪做数据转换，并经由工控机控制计算得到测试精密伺服机构的谐振频率。
[0012]进一步地，所电机驱动器内嵌有用于驱动伺服电机精确运动的电流环、速度环和位置环三环反馈控制环。
[0013]进一步地，所述被测精密伺服机构中的位置传感器连接负载盘为单轴伺服机构或多轴伺服机构。
[0014]进一步地，所述传动减速齿轮组为单级减速、多级增速、单级增速或者电机直拖。
[0015]进一步地，所述位置传感器为旋转变压器、编码器、陀螺、光栅中任意一种或多种。
[0016]相应地，本发明还给出一种精密伺服机构谐振频率的测试方法，该方法包括下述步骤:
[0017]I)首先对系统初始化，在工控机上设置伺服机构参数测试仪的电机驱动器和多轴运动控制卡的伺服机构控制参数PID ；
[0018]2)再在工控机上设置激励信号的参数，包括激励时间tsean，采样率f s一ing，采用扫频法进行谐振频率测试，频率范围中起始频率fstart和终止频率fmd，激励信号St (t)幅值
【权利要求】
1.一种精密伺服机构谐振频率的测试系统，包括一个被测精密伺服机构(101)，一个用于测量被测精密伺服机构(101)的伺服机构参数测试仪(109)，以及一个用于控制伺服机构参数测试仪(109)的数据处理显示终端工控机(114);其特征在于， 所述被测精密伺服机构(101)包括通过框架固定轴(103)支撑的底座(108)，所述底座(108)上设置有伺服电机(105)，伺服电机(105)通过传动减速齿轮组(104)啮合连接位置传感器(107)，位置传感器(107)连接负载盘(102);所述伺服电机(105)通过数据传输电缆(106)与伺服机构参数测试仪(109)相连； 所述伺服机构参数测试仪(109)包括通过数据传输电缆(106)与被测精密伺服机构(101)相连的电机驱动器(111)，所述电机驱动器(111)分别连接数据转换处理卡(110)和多轴运动控制卡(112)，多轴运动控制卡(112)通过数据传输电缆(113)连接工控机(114)； 所述工控机(114)包括通过数据传输电缆(113)连接的工控机主机(116)，工控机主机(116)连接有工控机显示器(115)； 伺服电机(105)经传动减速齿轮组(104)带动置于负载盘(102)上的负载运动，负载与位置传感器(107)同轴同步运动，其负载的位置信息由位置传感器(107)传送给伺服机构参数测试仪(109)做数据转换，并经由工控机(114)控制计算得到测试精密伺服机构的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的一种精密伺服机构谐振频率的测试系统，其特征在于，所电机驱动器(111)内嵌有用于驱动伺服电机(105)精确运动的电流环、速度环和位置环三环反馈控制环。
3.根据权利要求1所述的一种精密伺服机构谐振频率的测试系统，其特征在于，所述被测精密伺服机构(101)中的位置传感器(107)连接负载盘(102)为单轴伺服机构或多轴伺服机构； 所述传动减速齿轮组(104)为单级减速、多级增速、单级增速或者电机直拖； 所述位置传感器(107)为旋转变压器、编码器、陀螺、光栅中任意一种或多种。
4.一种精密伺服机构谐振频率的测试方法，其特征在于，该方法包括下述步骤: 1)首先对系统初始化，在工控机(114)上设置伺服机构参数测试仪(109)的电机驱动器(111)和多轴运动控制卡(112)的伺服机构控制参数PID ； 2)再在工控机(114)上设置激励信号的参数，包括激励时间％_，采样率fsampling，采用扫频法进行谐振频率测试，频率范围中起始频率fstart和终止频率fmd，激励信号St (t)幅值^ = ^rated，激励时间≥ 30s ; 3)在伺服机构参数测试仪(109)的传感器选择开关(117)上设置不同位置传感器的设定键；以及在数据转换处理卡(110)上选择对应不同位置传感器的相应的数据传输处理模块； 4)在工控机(114)上发出测试指令，由多轴运动控制卡(112)发出激励信号St(t)，并由伺服电机驱动器111驱动伺服电机(105)运动； 5)多轴运动控制卡(112)按设置的采样频率fsampling采集伺服电机(105)的运动速度信息Vt(t)；6)此时工控机(114)将激励信号St(t)和响应信号Vt(t)绘制时域曲线； 7)在工控机(114)上对St(t)和Vt(t)会做相应的数据进行变换处理，去噪，滤波，幅频变换后，得出相应的频域变换曲线，由频域变换曲线得到精密伺服机构谐振频率初测值f.resonance ， 8)重复操作以上步骤4)至7)，得到多组谐振频率，求平均值，即为精密伺服机构谐振频率
5.根据权利要求4所述的一种精密伺服机构谐振频率的测试方法，其特征在于，在步骤2)中设置的频率范围，即起始频率fstart和终止频率fend ;其中fend_fstart ≤ 100Hz，本方法中取值为fstart = (n) Hz, fend = (100+n) Hz, (n = 100, 200, 300…)，重复测试每组频率直至测出谐振频率为止。
6.根据权利要求4所述的一种精密伺服机构谐振频率的测试方法，其特征在于，在步骤2)中的采样率fsampling必须满足fsampling≥2 X fend, 一般取3到4倍的fmd或者更高。
7.根据权利要求4所述的一种精密伺服机构谐振频率的测试方法，其特征在于，在步骤7)中对St(t)和Vt(t)会做相应的数据进行变换处理，Vt (t)上传给工控机(114)首先经过带通滤波器截止频率设为0.5倍的fstart和2倍的fmd，然后对激励信号St (t)和响应信号Vt (t)分别做FFT分析或功率谱分析得到S (ω)和V (ω)，再将得到S (ω)和V (ω)幅值相比相位相减便得到幅频曲线和相频曲线，最后工控机(114)索引出幅频曲线的谐振突变点，从而显示谐振频率初测值
8.根据权利要求4所述的一种精密伺服机构谐振频率的测试方法，其特征在于，步骤2)中测试方法进一步包括阶跃法，所述采用阶跃法进行谐振频率测试，在工控机上设置激励信号的参数，包括激励信号St (t)幅值Vmax，激励时间t_n，其中，阶跃法中的激励信号St⑴幅值
9.根据权利要求4所述的一种精密伺服机构谐振频率的测试方法，其特征在于，步骤2)中测试方法进一步包括白噪声法，所述采用白噪声法进行谐振频率测试，在工控机(114)上设置激励信号的参数，包括激励信号St(t)幅值
10.根据权利要求4所述的一种精密伺服机构谐振频率的测试方法，其特征在于，步骤2)中测试方法进一步包括Multitone法,所述采用Multitone法进行谐振频率测试,在工控机(114)上设置激励信号的参数，包括激励信号St (t)幅值
【文档编号】G01R23/02GK104034962SQ201410186545
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】王卫东, 王和宁, 马伯渊, 李伟, 李建文 申请人:西安电子科技大学