北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 趙玉龍 軍械工程學(xué)院火炮工程系 房立清 薛德慶 陳東根 通過(guò)分析某大型設(shè)備伺服系統(tǒng)的基本原理和電氣性能特點(diǎn)，根據(jù)動(dòng)態(tài)信號(hào)檢測(cè)功能的要求，采用模塊化設(shè)計(jì)的方案和基于同步采樣與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精確信號(hào)、平穩(wěn)瞄準(zhǔn)速度、最大跟蹤速度和誤差信號(hào)的在線數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理和濾波分析。 1 引言 某大型設(shè)備的伺服系統(tǒng)是一典型的機(jī)電伺服系統(tǒng)，其性能的好壞，尤其是動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)直接影響到設(shè)備的效能。該裝置在一般檢測(cè)維修中，只能進(jìn)行系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量，判斷一些典型的故障。對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，缺乏動(dòng)態(tài)檢測(cè)的手段和方法，只能定性目測(cè)觀察。本文根據(jù)采用模塊化設(shè)計(jì)的方案和基于同步采樣與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的方法，通過(guò)在線對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、適調(diào)、放大、濾波和分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)的在線檢測(cè)?？蓹z測(cè)設(shè)備平穩(wěn)瞄準(zhǔn)速度、最大調(diào)轉(zhuǎn)速度和跟蹤誤差等動(dòng)態(tài)參數(shù)的精度，診斷系統(tǒng)故障，便于對(duì)裝備的快速檢修。 2 伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析 設(shè)備伺服系統(tǒng)包括方位伺服系統(tǒng)和高低伺服系統(tǒng)。方位系統(tǒng)控制回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)繞垂直地面軸沿水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)，高低系統(tǒng)控制回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)繞作俯仰運(yùn)動(dòng)。兩者都是具有同步測(cè)量元件、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了提高協(xié)調(diào)精度，增大調(diào)轉(zhuǎn)速度和功率，設(shè)計(jì)中采用了雙讀數(shù)高精度自整角機(jī)、綜合放大與電機(jī)擴(kuò)大兩級(jí)放大和大功率執(zhí)行電機(jī)。位置隨動(dòng)系統(tǒng)功率大、電路復(fù)雜，動(dòng)態(tài)性能要求高，檢測(cè)難度大。兩套伺服系統(tǒng)線路基本相同，現(xiàn)以設(shè)備方位伺服系統(tǒng)為例說(shuō)明其工作原理。 2.1 伺服系統(tǒng)組成 典型設(shè)備伺服系統(tǒng)由自整角機(jī)、信號(hào)選擇電路、交流放大級(jí)、相敏整流級(jí)、直流放大級(jí)、放大電機(jī)、執(zhí)行電機(jī)和減速器組成。其系統(tǒng)方塊圖見(jiàn)圖1。 2.2 主要?jiǎng)討B(tài)技術(shù)指標(biāo) 伺服系統(tǒng)的主要?jiǎng)討B(tài)技術(shù)指標(biāo)包括系統(tǒng)的最大瞄準(zhǔn)速度和加速度、最大調(diào)轉(zhuǎn)速度和系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的品質(zhì)指標(biāo)。系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)主要包括:超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間、振蕩次數(shù)等，在實(shí)際中都難以測(cè)量。通常，對(duì)于這類系統(tǒng)，采用克服某一失調(diào)角所需時(shí)間來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的過(guò)渡品質(zhì)。 3 動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試的任務(wù)是檢測(cè)伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，診斷裝備工作狀況，根據(jù)需要進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)和隨機(jī)檢測(cè)。系統(tǒng)的檢測(cè)過(guò)程為在線式，要安裝簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，工作可靠。本系統(tǒng)采用了基于數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的虛擬儀器形式構(gòu)建了動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。針對(duì)不同的測(cè)試項(xiàng)目選擇相應(yīng)的傳感器和信號(hào)調(diào)理單元與DSP數(shù)據(jù)采集模塊組合成相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)。 其主要組成包括：PC計(jì)算機(jī)、各類傳感器、DSP數(shù)據(jù)采集處理模塊、程控信號(hào)調(diào)理單元、信號(hào)仿真模塊和系統(tǒng)測(cè)試軟件等組成。測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖2所示。 3.1 動(dòng)態(tài)測(cè)試方法 常用的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法主要有兩種：過(guò)渡過(guò)程法和頻率特性法?？紤]到實(shí)際工作中的需要，我們采用的是過(guò)渡過(guò)程法。這種測(cè)試方法是測(cè)出系統(tǒng)在階躍輸入作用下的輸出過(guò)渡過(guò)程，然后由此定出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。在設(shè)備伺服系統(tǒng)中，由于輸出轉(zhuǎn)角的過(guò)渡過(guò)程不易直接測(cè)量，所以通過(guò)測(cè)量誤差電壓（誤差角）的過(guò)渡過(guò)程來(lái)定出系統(tǒng)的品質(zhì)。 θsc=θsr-δ 式中：δ為誤差角，θsr為階躍輸入時(shí)，θsc和δ的過(guò)渡過(guò)程之間只差一個(gè)常數(shù); 測(cè)出誤差角的過(guò)渡過(guò)程完全可以確定系統(tǒng)的品質(zhì)。設(shè)備伺服系統(tǒng)由于精度要求高，系統(tǒng)的放大系數(shù)較大，因而線性區(qū)都比較小。系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)如超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間、振蕩次數(shù)等，在實(shí)際中都難以測(cè)量。通常對(duì)這類系統(tǒng)用克服某一失調(diào)角所需時(shí)間來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的過(guò)渡品質(zhì)。在實(shí)際測(cè)量中，通過(guò)測(cè)量解調(diào)濾波器輸出電壓UL的過(guò)渡過(guò)程，近似測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)組成 測(cè)試系統(tǒng)主要以PC計(jì)算機(jī)為核心，完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集控制、數(shù)據(jù)處理和顯示測(cè)量結(jié)果等功能。具有適用范圍廣，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，便于卡式儀器的擴(kuò)展等特點(diǎn)。被測(cè)裝置的待測(cè)信號(hào)經(jīng)傳感器送人儀器的信號(hào)處理單元內(nèi)進(jìn)行濾波、放大、信號(hào)整形處理及特殊信號(hào)光、電隔離等，然后由A/D、I/O、將信號(hào)送人計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)備信號(hào)仿真單元、電量傳感器、DSP數(shù)據(jù)采集處理模塊組成伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。 （1）信號(hào)仿真模塊 伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試需要設(shè)備主控信號(hào)。為此，設(shè)計(jì)了專用的設(shè)備主控信號(hào)仿真模塊。設(shè)備主控模擬信號(hào)主要由400Hz中頻基準(zhǔn)信號(hào)電壓和輸入信號(hào)組成，模擬信號(hào)控制裝置能控制兩種信號(hào)電壓的相位、大小和輸出功率。中頻基準(zhǔn)信號(hào)電壓的控制器采用多層三位開(kāi)關(guān)，分別控制輸出3V、6V、12V的正相位和負(fù)相位信號(hào)電壓。數(shù)字仿真模塊產(chǎn)生多路數(shù)字信號(hào)供給數(shù)傳裝置，再進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試。 （2）電量傳感器 該設(shè)備伺服系統(tǒng)的待檢測(cè)信號(hào)多為電信號(hào)，在對(duì)電量傳感器進(jìn)行選擇時(shí)，需要考慮被隔離信號(hào)的類型（電流、電壓，直流、交流、脈動(dòng)直流、交直流混合信號(hào)等）、傳感器輸出信號(hào)的類型、被隔離信號(hào)的類型、范圍以及滿足測(cè)量的各項(xiàng)指標(biāo)，如：精度、線性度、響應(yīng)時(shí)間，使用環(huán)境等因素。根據(jù)所設(shè)計(jì)的采集模塊的輸入要求和設(shè)備伺服系統(tǒng)的信號(hào)特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中選用了北京星格測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的超小型精密電壓傳感器進(jìn)行信號(hào)隔離和調(diào)理。 交流信號(hào)的隔離選用交流電壓傳感器SPT304。該傳感器為焊接式安裝，并采用高隔離度、耐沖擊的全樹(shù)脂外包密封。該型傳感器體積小、重量輕，它可以把輸入的交流電壓信號(hào)隔離變換成適合于采集卡采集的信號(hào)，而且經(jīng)它調(diào)理后的信號(hào)直接接A/D采樣電路。 圖3為SPT304型交流電壓傳感器的電路原理圖。該型傳感器在工作時(shí)，需要輔助電源（±15V或±12V）。在輸入端加入交流信號(hào)后，不必再加任何輔助電路，其輸出電壓（絕對(duì)值小于5V）、輸出電流（小于10mA）均在PCL-711B數(shù)據(jù)采集卡的允許范圍內(nèi)。因此，可以直接把它的輸出端接人到PCL-711B數(shù)據(jù)采集卡的輸入端。另外，該傳感器有著良好的線性度（0.5％），完全可以保證信號(hào)采集與處理的需要。 設(shè)備伺服系統(tǒng)的直流電壓信號(hào)為脈動(dòng)直流，選用KV50A/P型直流電壓傳感器。KV50A/P型直流電壓傳感器采用磁平衡式，主要利用霍爾效應(yīng)，并采用磁補(bǔ)償原理、原邊電路與副邊電路絕緣，在測(cè)量電壓時(shí)，被測(cè)電壓通過(guò)電阻及與傳感器連接，測(cè)量電流與被測(cè)電壓成正比，也可以測(cè)交流、脈動(dòng)電壓信號(hào)。通過(guò)串接不同值的輸入、輸出電阻來(lái)調(diào)節(jié)輸出的電壓、電流值。其接線圖如圖4所示。 該型傳感器的輸入電壓范圍為0～2500V，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R1、R2來(lái)獲取合適的輸出電壓及輸出電流，其輸入、輸出電流是成正比的（當(dāng)輸入電流為10mA時(shí)，輸出電流為50mA，即輸入、輸出電流有1/5的線性關(guān)系），電壓的線性系數(shù)隨著電阻R1、R2的變化而變化。 線性系數(shù)可由下式確定： K=U1/U2=R1/R2 式中：U1、R1分別為輸入電壓、輸入電阻；U2、R2分別為輸出電壓、電阻，R2兩端的電壓輸出U2=I×R2被接人采集卡的輸入端，作為被采樣信號(hào)。 （3）基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集處理模塊 測(cè)試系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)采集。針對(duì)隨動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)試中數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)采集采樣頻率高等特點(diǎn)，我們采用DSP為核心器件設(shè)計(jì)了可進(jìn)行高速A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集功能模塊。該模塊構(gòu)成PC主機(jī)的從機(jī)，采用儀器模塊式插件結(jié)構(gòu)，插在主機(jī)ISA擴(kuò)展槽中。模塊由高速A/D轉(zhuǎn)換器、DSP、高速數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器和通訊接口組成。 DSP高速信號(hào)處理單元采用AD-SP2181，芯片功能強(qiáng)大，接口靈活，能將高速ADC和DSP納入同一體系中，形成統(tǒng)一的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)中，ADSP2181利用定時(shí)功能，與外圍接口實(shí)現(xiàn)高速A/D轉(zhuǎn)換器的定時(shí)與控制，進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理，解決電平觸發(fā)問(wèn)題，同時(shí)用高速SDRAM配合地址產(chǎn)生電路與雙向存取接口構(gòu)成高速緩存，以提高DSP的信號(hào)處理和緩存能力。ADSP2181在動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用方框圖見(jiàn)圖5。 為進(jìn)一步減小測(cè)試系統(tǒng)體積，ADSP2181的三態(tài)IDMA總線沒(méi)有總線隔離而直接接在工控機(jī)的總線上，其復(fù)位信號(hào)RESET由GAL20V8編程實(shí)現(xiàn)的R-S觸發(fā)器提供。ADSP2181通過(guò)DA2#轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)模擬電平作為觸發(fā)電平，當(dāng)主控機(jī)給定信號(hào)時(shí)，比較器CMP04即輸出高電平信號(hào)，三路傳感器通道的觸發(fā)請(qǐng)求作為ADSP2181的外中斷請(qǐng)求信號(hào)分別接在IRQ0、IRQl、IRQ2端，并將三端設(shè)為邊沿第敏感的中斷方式。這樣就實(shí)現(xiàn)了一片DSP同時(shí)管理三路采集通道觸發(fā)的目的。 4 系統(tǒng)測(cè)試軟件 在測(cè)試中波形變換與顯示、特征信息提取與分析、人機(jī)界面控制與調(diào)整等方面的要求很高，按傳統(tǒng)的編程方法，工作量極大，而虛擬儀器技術(shù)可方便地解決這些問(wèn)題。本系統(tǒng)中采用美國(guó)NI公司的Lab-VIEW與VC可視化語(yǔ)言相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)測(cè)試中的需要的各種功能。LabVIEW軟件中有豐富的儀表控制按鈕和輸出表盤(pán)，因此由LabVIEW軟件可進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，信號(hào)采集與控制信號(hào)輸出、信號(hào)處理等功能。在LabVIEW平臺(tái)上使用非NI公司專用的數(shù)據(jù)采集卡，必須自己開(kāi)發(fā)儀器驅(qū)動(dòng)程序，完成數(shù)據(jù)采集的功能。我們采用VC編制動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL，通過(guò)Lab-VIEW所提供的調(diào)用函數(shù)（CLF）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集。信號(hào)處理功能利用LabVIEW中的集成軟件庫(kù)所提供的各種信號(hào)處理模塊完成，如FFT變換、矩陣運(yùn)算等。測(cè)試中的各種特征值分析都由LabVIEW完成其編程工作，編程中只需選擇功能模塊連接即可。 5 結(jié)束語(yǔ) 本文以DSP數(shù)據(jù)采集處理模塊為核心，構(gòu)建了在線測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服系統(tǒng)的性能測(cè)試，具有測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，自動(dòng)化程度高，工作穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)便，易于轉(zhuǎn)移和維護(hù)等特點(diǎn)，提高了工作的可靠性。 第二屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集