伺服動態測試儀及其測試方法

2024-01-25 04:39:15 1

專利名稱：伺服動態測試儀及其測試方法
技術領域：
本發明涉及一種數字控制系統中的伺服測量技術，具體的說是 一種伺 服動態測試儀及其測試方法。
背景技術：
嵌入式系統是以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟硬體可裁剪、 適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專業計 算機系統，具有微內核、系統精簡、高實時性、專業性特點，因此非常適 合用於機電控制系統。就嵌入式作業系統來講，目前市場上主流的有
WindowsCE、 VxWorks、 Linux、 jiC/OSII等，WindowsCE是一個開放性好、 可裁剪的、32位嵌入式窗口作業系統，支持實時多任務處理，具有良好的 通信、線程響應能力和出色的圖形界面，支持嵌套中斷和微內核，因此被 廣泛的應用於工業控制、汽車電子和個人電子消費品等領域。
伺服控制系統是數控工具機的重要電控執行部分，其性能的優劣將直接 影響工具機的加工速度和加工精度。如果不能量化檢測出伺服控制系統的靜 態性能並掌握其動態響應特性，會給伺服控制系統的開發和應用帶來很大 的困難，從而無法對產品性能進行準確的評價和有針對性的改進。
近十幾年來，我國的數控工具機有了很大發展，但由於伺服系統的性能 對數控工具機的精度有很大影響，國外各大公司對伺服系統的性能測試十分 重視，設有各種專門機構進行研究，且已經研製出多種測試裝置，如曰本 的小野等。目前，我國已經制訂了《數控工具機交流伺服驅動單元通用技術 條件》(以下簡稱"標準")的囯家行業標準，國內也已引進數套測試裝置， 主要用在研究院所和伺服系統生產廠家。但是這些引進的測試裝置不但操 作複雜且價格昂貴， 一般在15萬美元左右。國內伺服廠商和工具機廠普遍通 過工具機實測進行調試，調試周期長，針對性差，且很難量化評價測試驅動 單元的性能。根據國外和國內伺服性能測試系統應用的這種現狀，急需開 發一套具有自主智慧財產權的高精度、高性價比的伺服動態測試系統，以提 高我國的伺服產品的性能，進而提高我們在數控產業中的核心竟爭力。

發明內容
針對現有技術中存在的諸多不足之處，本發明要解決的技術問題在於 提供一種能夠用來量化標準中所規定的伺服系統各性能指標的高精度、實 時性強、可動態加載的伺服測試儀。
為解決上述技術問題，本發明釆用的技術方案是
4本發明伺服動態測試儀具有
工控機，作為測試儀的顯示控制終端，接收用戶輸入的控制命令、被 觀'J伺服系統和負載伺服系統的編碼器反饋信號以及轉矩傳感器的轉矩信
號，實現測試流程控制和用戶交互；
負載伺服系統，接收工控機的控制數據，通過伺服電機的反拖為被測
伺服系統提供高精度的動態加載；
轉矩傳感器，設於負載伺服系統伺服電機和被測伺服系統伺服電機之 間的連承軸上，其信號輸出端接至工控機中的伺服控制卡。
所述工控機具有伺服控制卡及工業CPU卡，其中伺服控制卡包括主控 制模塊、電源管理電路、ISA數據總線接口電路、ISA地址總線接口電路、 ISA控制總線接口電路、ISA中斷接口電路、基準時鐘電路、轉矩輸入接口 電路、DA轉換電路、編碼器檢測輸入電路、IO狀態輸入電路以及IO控制 輸出電路，其中主控制模塊通過ISA數據總線接口電路、ISA地址總線接 口電路、ISA控制總線接口電路以及ISA中斷接口電路接至工業CPU卡， 主控制模塊通過DA轉換電路、編碼器檢測輸入電路、IO狀態輸入電路及 IO控制輸出電路分別與負載伺服驅動器和被測伺服驅動器相連；轉矩傳感 器通過轉矩輸入接口電路將轉矩信號輸入至主控制模塊。
所述主控制模塊為可編程邏輯模塊，其內部包括ISA總線管理器、基 準時鍾管理器、中斷管理器、轉矩檢測管理器、DA轉換管理器、編碼器檢 測管理器以及10控制管理器，工業CPU卡通過ISA總線管理器與基準時鐘 管理器、中斷管理器、轉矩檢測管理器、DA轉換管理器、編碼器檢測模塊 以及IO控制管理器進行數據交換；基準時鐘管理器為中斷管理器、轉矩檢測 管理器、DA轉換管理器以及編碼器檢測管理器提供工作時鐘；轉矩檢測管 理器接收轉矩輸入接口電路輸入的轉矩信號；DA轉換管理器與DA轉換電 路相連，實現轉速、轉矩指令的數模轉換；編碼器檢測管理器處理編碼器檢 測輸入電路的信號；IO控制管理器通過IO狀態輸入電路以及10控制輸出 電路與被測伺服驅動器和負載伺服驅動器交換10數據。
本發明伺服動態測試儀的測試方法包括以下步驟
測試儀上電，啟動測試主線程對測試儀進行參數配置和系統初始化， 建立數據文件目錄；
啟動狀態監控線程，如監視被測伺服系統及負載伺服系統無報警產生， 且系統狀態為"準備好"，則使能各伺服系統的伺服驅動器準備測試；
通過用戶界面選擇測試指標配置測試參數，生成測試數據文件；
啟動工作線程，給定被測伺服系統及負載伺服系統測試需要的轉速和 轉矩指令；
運行過程中被測伺服系統或負載伺服系統如果沒有發生報警，且不需 改變轉速或轉矩，則以相應公式計算所選擇的性能指標並保存計算結果； 該性能指標測試結東。
5本發明還包括以下步驟
運行過程中被測伺服系統或負載伺服系統如果沒有發生報警，且需要 改變轉速或轉矩，則回到"給定被測伺服系統及負載伺服系統測試需要的轉 速和轉矩指令"步驟，重新給定轉速和轉矩；
如果被測伺服系統及負載伺服系統狀態沒"準備好",則重新進行系統初 始化。
所述工作線程包括中斷處理線程、存儲線程、實時曲線處理線程以及 性能指標計算線程，其中中斷處理線程具有以下步驟
中斷處理線程入口刷新環形隊列，並等待中斷事件，當事件有信號時
CPU通過伺服控制卡驅動程序從ISA總線讀取被測伺服電機編碼器反饋及
轉矩傳感器的數據，並進行平均值濾波處理，計算被測伺服系統的轉速值 及負載伺服系統的轉矩值，如果內存中的環形隊列非滿，則將其存儲到該
環形隊列中，然後，對轉矩值進行PID調節，通過ISA總線將經PID調節
後的轉矩值發送至負載伺服驅動器形成閉環控制，本次中斷處理結東，如 果被測伺服系統及負載伺服系統仍在運行，繼續等待事件，重複上述過程， 否則線程結東；如果內存中的環形隊列滿，則被測伺服系統的轉速值及負 載伺服系統的轉矩值丟失，轉至等待中斷事件步驟。
所述存儲線程將內存中的環形隊列中的轉矩值及轉速值以文本格式和 二進位格式分別存儲於測試數據文件中，針對不同的性能指標設置不同的 存儲頻率。
所述實時曲線處理線程向主線程發送曲線繪製消息，主線程讀取環形 內存隊列中的轉速值和轉矩值，並調用曲線繪製模塊將被測伺服系統及負 載伺服系統的給定轉速、反饋轉速分別繪製在時間-轉速和時間-轉矩坐標系 中。
所述主線程對測試儀進行參數配置和系統初始化之前還包括曲線回放 步驟，即調用曲線繪製模塊，利用讀取的歷史數據繪製曲線，並在工控機 的顯示器上顯示。
本發明具有以下有益效果及優點
1. 本發明建立起了伺服動態測試系統的框架結構，符合標準中所規定 的測試指標和測試方法要求，解決了伺服研發過程中難以對其進行定量評 估的難題；
2. 本發明通過嵌入式實時作業系統、ISA總線的硬中斷、多線程程序 設計以及環形隊列等方法使系統具備較高的實時性；
3. 本發明通過負載伺服系統對被測伺服系統做反拖，並對其轉矩進行 PID閉環控制，可以實現高精度、高穩定性、高響應特性的動態加載；
4. 本發明中伺服控制卡的控制邏輯釆用VHDL(硬體程式語言)編寫， IO驅動程序釆用分層的方法，從而使系統具有較好的通用性、可擴展性和 可移植性；5.具有友好的用戶界面，操作方便，設備體積小，節約測試時間和成 本，可以大大提高伺服產品的性能和開發效率。


圖1為本發明伺服動態測試儀的組成框圖2為本發明中伺服控制卡結構圖3為本發明中伺服控制卡的主控制模塊結構圖4為本發明伺服動態測試儀的測試流程圖5為本發明測試流程圖中中斷處理線程的流程圖6為本發明 一個實施例的動態測試示意圖。
具體實施例方式
本發明伺服動態測試儀基於工業PC技術和嵌入式實時作業系統，依據 標準中規定的要求，選擇了額定輸入容量、正反轉速差、轉速變化率、調 速範圍、穩定性(動態速降、恢復時間)、穩速精度(時間變化、電壓變化)、 跟隨性(超調量、上升時間、調節時間)等ll個指標作為測試對象。本實 施例基於X86體系結構的WindowsCE作業系統和交流伺服系統，以測試儀 軟體即交流伺服動態測試儀的測試流程作為控制和數據處理軟體。
如圖1所示，本發明伺服動態測試儀包括工控機、負載伺服系統(包
括負載伺服驅動器及負載伺服電機)以及轉矩傳感器，其中，工控機是整 個測試過程的控制顯示部分，其硬體組成包括工業CPU卡、液晶顯示器、 鍵盤、滑鼠、開關電源以及伺服控制卡，開關電源為伺服控制卡提供24V 電源；伺服控制卡通過ISA總線連接至工業CPU卡，完成數據採集的硬體 功能部分；工控機的軟體部分包括WindowsCE作業系統、測試儀軟體系統 以及伺服控制卡驅動程序；負載伺服系統用來為被測伺服系統提供高精度、 高穩定性和高響應特性的動態加載；轉矩傳感器固定在連接負載伺服系統 中伺服電機和被測伺服系統中伺服電機的連承軸上，轉矩傳感器產生的方 波信號送到伺服控制卡上的轉矩輸入接口電路中。
如圖2所示，為伺服控制卡結構圖。伺服控制卡是實現伺服控制的核 心部分，主要由主控制模塊和其他11個接口電路構成，該11個接口電路 分別為電源管理電路、ISA數據總線接口電路、ISA地址總線接口電路、ISA 控制總線接口電路、ISA中斷接口電路、基準時鐘電路、轉矩輸入接口電路、 DA轉換電路、編碼器檢測輸入電路、IO狀態輸入電路、IO控制輸出電路。
上述電源管理電路的功能是為伺服控制卡中的各部分電路和對外接口 提供相應的供電電源，主要作用是根據電路要求進行電源的線性變換和低 通濾波，並在對外接口處加入短路保護電路，從而為各部分接口電路正常 工作提供電源供給方面的保證。
ISA數據總線接口電路、ISA地址總線接口電路、ISA中斷接口電路以 及ISA控制總線接口電路的功能是控制主控制模塊和工業CPU卡的ISA總 線之間的數據緩衝、信號隔離和電平轉換，使控制主模塊通過這些電路成為工業CPU卡的ISA上的IO式總線設備，使得測試儀系統軟體可以通過
ISA總線的讀寫命令與主控制模塊進行數據交換。
基準時鐘電路為主控模塊的內部控制邏輯的運行提供穩定的工作時鐘。
轉矩輸入接口電路，將轉矩傳感器信號以方波信號的形式提供給主控 模塊，用以計算轉矩的大小。
DA轉換電路，該電路將轉速、轉矩的數字量指令轉換為伺服驅動器使 用的模擬量指令。
編碼器檢測輸出電路，將2通道編碼器反饋信號作為2路伺服驅動器 轉速信號輸入，編碼器的信號經鑑向(即根據編碼器的脈衝信號判斷編碼 器的旋轉方向為正轉還是反轉)，四倍頻處理後，送到主控模塊。 IO狀態輸入電路，將兩伺服系統的伺服狀態信號送到主控模塊。 IO控制輸出電路，將伺服的控制命令分別送至兩伺服系統的伺服驅動器。
如圖3所示，為伺服控制卡的主控制模塊組成框圖，本實施例中主控 制模塊採用可編程邏輯晶片(FPGA)，其控制邏輯釆用VHDL(硬體編程 語言)編寫。可編程邏輯晶片的功能模塊主要包括ISA總線管理器、DA 轉換管理器、IO控制管理器、轉矩檢測管理器、中斷管理器、編碼器檢測 管理器以及基準時鐘管理器，其中，ISA總線管理器通過ISA數據總線接 口電路、ISA地址總線接口電路、ISA中斷接口電路和ISA控制總線接口電 路連接至工業CPU卡，工業CPU卡通過ISA總線與主控制模塊內的其他 模塊進行數據交換；DA轉換管理器通過DA轉換電路接至兩個伺服系統的 伺服驅動器；IO控制管理器通過IO狀態輸入電路和IO控制輸出電路接至 兩個伺服系統的伺服驅動器；轉矩檢測管理器通過轉矩接口電路將傳感器 的轉矩信號輸入到主控制模塊；中斷接口電路產生的中斷信號通過中斷管 理器送至主控制模塊，編碼器檢測管理器通過編碼器檢測輸入電路將編碼 器信號送至主控制模塊；基準時鐘管理器為DA轉換管理器、IO控制管理 器、轉矩檢測管理器、中斷管理器、編碼器檢測管理器提供工作時鐘。
上述ISA總線管理器主要提供總線地址解碼控制、讀寫時序控制、總 線狀態應答控制和總線中斷控制功能，總線狀態應答控制主要用於根據ISA 總線的控制時序回送應答狀態，從而保證ISA總線讀寫動作的正確執行， 通過ISA總線地址解碼和讀寫時序控制功能可以與DA轉換管理器、IO控 制管理器、轉矩檢測管理器、中斷管理器、編碼器檢測管理器進行數據交 換，ISA中斷管理器為數據釆集提供中斷信號。
DA轉換管理器提供4路DA轉換，分別為被測伺服系統及負載伺服系 統提供轉速及轉矩的DA轉換；
轉矩檢測管理器用於實現轉矩信號的測試與濾波，使用轉矩檢測M/T 方法完成轉矩脈衝寬度計數。
8IO控制管理器主要完成被測伺服系統和負載伺服系統的狀態反饋與控 制，包括伺服報警與清除、伺服使能、伺服準備好、同向檢測等。
傳統的WindowsCE驅動程序將所有的外圍設備抽象為字節序列，並以
文件的形式表示這些設備，用戶可以像訪問文件一樣訪問這些設備，但是
這種方法不適合基於IO埠的設備訪問，不能實現對埠中某一位的操作，
為此，本發明方法中伺服控制卡釆用了基於分層的驅動程序設計方法，避 免了上層應用程式直接訪問硬體。該驅動模型包括兩部分，上層為一套與
硬體無關的C函數集，即應用程式訪問驅動程序的標準API接口，下層為 與具體硬體相關的功能操作函數，即真正的驅動部分。
本發明伺服動態測試儀的測試方法是通過測試儀軟體即伺服動態測試 儀的測試流程實現的，該測試流程所完成的測試任務在軟體中被劃分為12 個模塊，包括狀參數配置模塊、曲線繪製模塊、曲線回放模塊、測試控 制模塊、環形隊列、伺服狀態顯示模塊、數據文件管理模塊、狀態監控線 程、中斷處理線程、存儲線程、性能指標計算線程、實時曲線處理線程， 由這些模塊合作完成。如圖4所示，其測試流程如下
測試儀上電，啟動主線程對測試儀進行參數配置和系統初始化，建立 數據文件目錄；上述主線程對測試儀進行參數配置和系統初始化之前還可 包括曲線回放步驟，即調用曲線繪製模塊，利用讀取的歷史數據繪製曲線， 並在工控機的顯示器上顯示。
啟動狀態監控線程，監視被測伺服系統及負載伺服系統有無報警產生， 監視被測伺服系統及負載伺服系統狀態是否"準備好"，如果"準備好"，則使 能被測伺服系統的伺服驅動器及負載伺服系統的伺服驅動器，準備測試； 如果被測伺服系統及負載伺服系統狀態沒"準備好"，則重新進行系統初始
通過用戶界面選擇測試指標配置測試參數，生成測試數據文件；可供 選擇的測試指標包括被測伺服系統的跟隨性(超調量、上升時間、調節時 間)、穩定性(動態速降、恢復時間)、穩速精度(時間變化、電壓變化)、 額定輸出容量、正反轉速差以及轉速變化率等，可供選擇的配置測試參數 包括曲線顏色、PID參數以及中斷周期等。
啟動工作線程，給定被測伺服系統及負載伺服系統測試需要的轉速和 轉矩指令；
運行過程中被測伺服系統或負載伺服系統如果沒有發生報警，且不需 改變轉速或轉矩，則以相應公式計算所選擇的性能指標；如需要改變轉速 或轉矩，則回到"給定被測伺服系統及負載伺服系統測試需要的轉速和轉 矩指令"步驟，重新給定轉速和轉矩；如果發生報警，則測試結束。
該性能指標測試結東；
如果繼續測試被測服系統的其他性能指標，則回到"通過用戶界面選 擇測試指標配置測試參數，生成測試數據文件"步驟，循環進行，直至全
9部指標測試完成。
本發明方法在系統初始化過程中，首先建立環形隊列全局變量和建立 中斷、註冊中斷事件，啟動狀態監控線程。其中，環形隊列以共享全局變 量的方式實現線程間通訊，並作為高速數據釆集與低速數據處理之間的緩 衝，同時通過查詢該共享內存的方法實現多個線程對同 一數據的互斥讀寫， 所謂查詢，就是保證需要讀的索引值必須為中斷處理線程已經寫完的索引
值，否則，讀線程必須等待(sleep);
狀態監控線程用於監視伺服的運行狀態，包括準備好、報警、伺服運 行時間、伺服電機的轉速和轉矩，並通過狀態顯示模塊顯示出來，使用戶 很容易的了解伺服每個時刻的運行狀態。其中，兩個伺服系統的準備好和 報警的狀態顯示是通過四個指示燈實現，當燈為綠色時表示已經準備好或 無報警，當燈為紅色時表示沒有準備好或報警。
所述工作線程包括中斷處理線程、存儲線程、實時曲線處理線程以及 性能指標計算線程，其中中斷處理線程具有以下步驟，如圖5所示
中斷處理線程入口刷新環形隊列，並等待中斷事件，當事件有信號時 CPU通過伺服控制卡驅動程序從ISA總線讀取被測伺服電機編碼器反饋及 轉矩傳感器的數據，並進行平均值濾波處理(以消除外界信號的幹擾)，計 算被測伺服系統的轉速值及負載伺服系統的轉矩值，如果內存中的環形隊 列非滿，則將其存儲到該環形隊列中，然後，對轉矩值進行PID調節，通 過ISA總線將經PID調節後的轉矩值發送至負載伺服驅動器形成閉環控制， 本次中斷處理結東，如果被測伺服系統及負載伺服系統仍在運行，繼續等 待事件，重複上述過程，否則線程結束；如果內存中的環形隊列滿，則被 測伺服系統的轉速值及負載伺服系統的轉矩值丟失，轉至等待中斷事件步 驟。
上述存儲線程將內存中的環形隊列中的轉矩值及轉速值以文本格式和 二進位格式分別存儲於測試數據文件中，同時由於文件大小的限制，在滿 足實際需要的情況下，針對不同的性能指標設置不同的存儲頻率，如在測 試時間變化的穩速精度時，伺服運行的時間大約為1小時，如果每個釆樣 數據都需要保存到文本文件，則需要108M左右，顯然保存這麼多的數據不 但沒有必要且打開這麼大的文件比較費時，所以，可以每隔100ms保存一 次，基本滿足測試要求。
由於在輔助線程中刷新控制項存在不安全性，所以刷新控制項的工作須在 主線程中實現，上述實時曲線處理線程將繪製消息用PostMessage發送到主 線程，主線程在消息處理中調用環形隊列模塊和曲線繪製模塊，將實時數 據繪製在坐標系中，由於釆樣的周期比較短(lms),曲線控制項的刷新頻率不 能很高，為了滿足我們的實時顯示要求，對曲線採用了翻頁方式的方法， 曲線從X軸的最左端實時地向右顯示，當曲線繪製到X軸最右端的時候， 將曲線清除並從時間軸最左端重新開始繪製，每次刷新100個點，即每
10100ms刷新一次。
上述性能指標計算線程，主要是根據標準中的測試方法，利用環形隊 列中釆集到的數據進行計算，環形隊列中的數據元素為由時間、反饋轉速、 給定轉速、給定轉矩和反饋轉速組成的結構體變量，各指標算法如下
1) 跟隨性，包括上升時間、超調量和調節時間三個指標
上升時間從環形隊列的隊頭查找第一次反饋轉速非零的時刻tl，繼 續向隊尾方向查找第一次反饋轉速大於額定轉速的90%的時刻t2，則上升 時間Tr為
Tr=t2-tl
超調量從環形隊列中找到大於穩態轉速Nw的最大值Nmax,根據下 述公式計算
cr(%)=(Nmax-Nw)*畫/Nw (%)
調節時間在環形隊列中計算出穩態轉速Nw，再從穩態的反饋轉速過 程中選擇一時刻，從該時刻開始向隊頭方向查找，找到反饋轉速第一次大 於Nw^l+5。/。)或小於Nw承(l-5。/。)的時刻t3,則調節時間Ts為
Ts=t3-tl
2) 正反轉速差空載條件下，輸入額定轉速的正反轉速指令，計算出 正反轉速Ncw、 Nccw,通過以下公式計算正反轉速差AN:
AN(%)=(|Ncw- Nccw |/(Ncw+ Nccw))* 100%
3) 穩定性試驗包括動態降落和恢復時間兩個指標，算法如下 加載負載前，轉速穩定後，計算出穩態轉速Nwl;負載加載後，再次
穩定後的穩態轉速Nw2，從達到穩態轉速後的任一時刻開始向隊頭方向查 找第一次反饋轉速大於Nw2(l+P/。)或小於Nw2(l-l。/。)的時刻t2，同時查找 反饋轉速與Nwl差值的絕對值的最大值ANmax直到負載為零，並找到負 載開始非零的時刻tl，貝'J:
動態降落AZ (%)通過以下公式計算
△Z(%)=(ANmax/Nw 1 )* 100% 恢復時間Tf通過以下公式計算
TfN;2-tl
4) 穩速精度試驗包括時間變化穩速精度和電壓變化穩速精度，二者測 試給定條件不一樣，但算法一致，查找實際測量的反饋轉速與額定轉速的 最大偏差MAX(INi-Nel),則穩速精度S為
S(%)=(MAX(|Ni-Ne|)/Ne)* 100%
5) 調速範圍
從環形示波器隊列中查找最大轉速Nmax和最小轉速Nmin，則調速範 圍D為
D=Nmax/Nmin
6) 轉速變化率S:S(%)= (N0-N1 ) /NO 其中NO為空載下的穩態轉速同，Nl為加載NO轉速下的最大負載後 的穩態轉速；
7)額定輸出容量
P=U*I
其中u為額定工作情況下的輸出電壓，I為額定工作情況下的輸出電流。
當測試結束後需要查看測試過的實時數據的時候，可以選擇曲線回放 模塊，該模塊調用曲線繪製模塊並讀取相應的數據文件中的數據，用曲線 的方式表示出來，以觀察反饋曲線的跟隨性。
1權利要求
1.一種伺服動態測試儀，其特徵在於具有工控機，作為測試儀的顯示控制終端，接收用戶輸入的控制命令、被測伺服系統和負載伺服系統的編碼器反饋信號以及轉矩傳感器的轉矩信號，實現測試流程控制和用戶交互；負載伺服系統，接收工控機的控制數據，通過伺服電機的反拖為被測伺服系統提供高精度的動態加載；轉矩傳感器，設於負載伺服系統伺服電機和被測伺服系統伺服電機之間的連承軸上，其信號輸出端接至工控機中的伺服控制卡。
2. 按權利要求1所述的伺服動態測試儀，其特徵在於所述工控機具 有伺服控制卡及工業CPU卡，其中伺服控制卡包括主控制模塊、電源管理 電路、ISA數據總線接口電路、ISA地址總線接口電路、ISA控制總線接口 電路、ISA中斷接口電路、基準時鐘電路、轉矩輸入接口電路、DA轉換電 路、編碼器檢測輸入電路、IO狀態輸入電路以及IO控制輸出電路，其中主 控制模塊通過ISA數據總線接口電路、ISA地址總線接口電路、ISA控制總 線接口電路以及ISA中斷接口電路接至工業CPU卡，主控制模塊通過DA 轉換電路、編碼器檢測輸入電路、IO狀態輸入電路及IO控制輸出電路分別 與負載伺服驅動器和被測伺服驅動器相連；轉矩傳感器通過轉矩輸入接口 電路將轉矩信號輸入至主控制模塊。
3. 按權利要求2所述的伺服動態測試儀，其特徵在於所述主控制模 塊為可編程邏輯模塊，其內部包括ISA總線管理器、基準時鐘管理器、中 斷管理器、轉矩檢測管理器、DA轉換管理器、編碼器檢測管理器以及IO 控制管理器，工業CPU卡通過ISA總線管理器與基準時鐘管理器、中斷管 理器、轉矩檢測管理器、DA轉換管理器、編碼器檢測模塊以及IO控制管 理器進行數據交換；基準時鐘管理器為中斷管理器、轉矩檢測管理器、DA轉 換管理器以及編碼器檢測管理器提供工作時鐘；轉矩檢測管理器接收轉矩輸 入接口電路輸入的轉矩信號；DA轉換管理器與DA轉換電路相連，實現轉 速、轉矩指令的數模轉換；編碼器檢測管理器處理編碼器檢測輸入電路的信 號；IO控制管理器通過IO狀態輸入電路以及IO控制輸出電路與被測伺服 驅動器和負載伺服驅動器交換IO數據。
4. 一種伺服動態測試儀的測試方法，其特徵在於包括以下步驟 測試儀上電，啟動測試主線程對測試儀進行參數配置和系統初始化，建立數據文件目錄；啟動狀態監控線程，如監視被測伺服系統及負載伺服系統無報警產生， 且系統狀態為"準備好"，則使能各伺服系統的伺服驅動器準備測試；通過用戶界面選擇測試指標配置測試參數，生成測試數據文件；啟動工作線程，給定被須'H司服系統及負載伺服系統測試需要的轉速和 轉矩指令；運行過程中被測伺服系統或負載伺服系統如果沒有發生報警，且不需改變轉速或轉矩，則以相應公式計算所選擇的性能指標並保存計算結果；該性能指標測試結東。
5. 按權利要求4所述伺服動態測試儀的測試方法，其特徵在於還包括 以下步驟運行過程中被測伺服系統或負載伺服系統如果沒有發生報警，且需要 改變轉速或轉矩，則回到"給定被測伺服系統及負載伺服系統測試需要的轉 速和轉矩指令"步驟，重新給定轉速和轉矩。
6. 按權利要求4所述伺服動態測試儀的測試方法，其特徵在於還包括 以下步驟如果被測伺服系統及負載伺服系統狀態沒"準備好"，則重新進行系統初 始化。
7. 按權利要求4所述伺服動態測試儀的測試方法，其特徵在於所述 工作線程包括中斷處理線程、存儲線程、實時曲線處理線程以及性能指標 計算線程，其中中斷處理線程具有以下步驟中斷處理線程入口刷新環形隊列，並等待中斷事件，當事件有信號時 CPU通過伺服控制卡驅動程序從ISA總線讀取被測伺服電機編碼器反饋及 轉矩傳感器的數據，並進行平均值濾波處理，計算被測伺服系統的轉速值 及負載伺服系統的轉矩值，如果內存中的環形隊列非滿，則將其存儲到該 環形隊列中，然後，對轉矩值進行PID調節，通過ISA總線將經PID調節 後的轉矩值發送至負載伺服驅動器形成閉環控制，本次中斷處理結東，如 果被測伺服系統及負載伺服系統仍在運行，繼續等待事件，重複上述過程， 否則線程結東；如果內存中的環形隊列滿，則被測伺服系統的轉速值及負 載伺服系統的轉矩值丟失，轉至等待中斷事件步驟。
8. 按權利要求7所述伺服動態測試儀的測試方法，其特徵在於所述存儲線程將內存中的環形隊列中的轉矩值及轉速值以文本格式和 二進位格式分別存儲於測試數據文件中，針對不同的性能指標設置不同的 存儲頻率。
9. 按權利要求7所述的伺服動態測試儀的測試方法，其特徵在於所 述實時曲線處理線程向主線程發送曲線繪製消息，主線程讀取環形內存隊 列中的轉速值和轉矩值，並調用曲線繪製模塊將被測伺服系統及負載伺服 系統的給定轉速、反饋轉速分別繪製在時間-轉速和時間-轉矩坐標系中。
10. 按權利要求4所述的伺服動態測試儀的測試方法，其特徵在於所 述主線程對測試儀進行參數配置和系統初始化之前還包括曲線回放步驟， 即調用曲線繪製模塊，利用讀取的歷史數據繪製曲線，並在工控機的顯示 器上顯示。
全文摘要
本發明涉及一種伺服動態測試儀及其測試方法，具有工控機，接收用戶輸入的控制命令、各伺服系統的編碼器反饋信號以及轉矩傳感器的轉矩信號；負載伺服系統，通過伺服電機的反拖為被測伺服系統提供動態加載；轉矩傳感器，設於負載伺服系統伺服電機和被測伺服系統伺服電機之間的連承軸上，其信號輸出端接至工控機中的伺服控制卡；測試方法包括系統初始化，建立數據文件目錄；啟動狀態監控線程，使能各伺服系統準備測試；選擇測試指標配置測試參數；啟動工作線程，給定轉速和轉矩指令；兩伺服系統如果沒有報警，計算性能指標並保存。本發明解決了伺服研發過程中難以對其進行定量評估的難題，可以實現高精度、高穩定性、高響應特性的動態加載。
文檔編號G05B19/4062GK101493684SQ200810010219
公開日2009年7月29日 申請日期2008年1月25日 優先權日2008年1月25日
發明者平 何, 洋 劉, 宇 孫, 王廣宇, 王志成, 王玉菊, 高東林 申請人:瀋陽高精數控技術有限公司;中國科學院瀋陽計算技術研究所有限公司