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一种伺服等效器的校准系统

阅读：1015发布：2020-06-19

专利汇可以提供一种伺服等效器的校准系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种伺服等效器的校准系统，包括总线测控主机、信号适配箱和超低频信号发生器，且总线测控主机包括总线控制器模块、数字多用表模块、示波器模块和数据通信模块四部分；总线控制器模块通过数据通信模块分别与信号适配箱和超低频信号发生器的输入端连接，超低频信号发生器的输出端连接信号适配箱的输入端，数字多用表模块和示波器模块亦分别连接信号适配箱的输入端，信号适配箱的输出端分别连接伺服等效器的遥测和控制接口。本发明提供的伺服等效器的校准系统，构建了新型的超低频频响分析器，实现伺服单元等效器的自动校准，简化校准操作，避免引入认为误差。，下面是一种伺服等效器的校准系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种伺服等效器的校准系统，其特征在于，包括总线测控主机、信号适配箱和超低频信号发生器，且所述总线测控主机包括总线控制器模块、数字多用表模块、示波器模块和数据通信模块四部分；
所述总线控制器模块通过所述数据通信模块分别与所述信号适配箱和超低频信号发生器的输入端连接，所述超低频信号发生器的输出端连接所述信号适配箱的输入端，所述数字多用表模块和示波器模块亦分别连接所述信号适配箱的输入端，所述信号适配箱的输出端分别连接所述伺服等效器的遥测和控制接口；
所述总线控制器模块通过所述数据通信模块控制所述信号适配箱和超低频信号发生器按所述总线控制器模块内置的校准程序执行相应的动作，并通过所述数字多用表模块实现对所述伺服等效器各测量通道内部电阻的校准；所述示波器模块按校准程序采集所述伺服等效器各测量通道输入/输出电压波形数据，并控制所述信号适配箱进行测量通道的切换，实现对所述伺服等效器各测量通道频率响应特性的校准；所述超低频信号发生器为所述伺服等效器各测量通道频率响应特性的校准提供超低频段的激励信号，并与所述示波器模块共同构成频响分析器，实现对所述伺服等效器各测量通道频率响应特性中幅频特性和相频特性的校准；所述数据通信模块具备多个通信接口，实现所述总线控制器模块对所述信号适配箱和超低频信号发生器的数据交互和驱动控制。
2.根据权利要求1所述的校准系统，其特征在于，所述超低频信号发生器为一个频率、初相和幅值等可调的频率合成器，采用FPGA芯片作为DDS 数据处理芯片，主要由相位累加器、ROM查询表、DA转换器和低通滤波器组成；所述相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器级联而成，与频率控制字进行累加运算；所述ROM查询表为一个波形寄存器，以供查表使用，并将读出的波形数据送入所述DA转换器转换为阶梯型模拟波形，最后由所述低通滤波器将阶梯型模拟波形平滑为超低频的正弦连续电压波形输出。
3.根据权利要求2所述的校准系统，其特征在于，所述超低频信号发生器中DDS的时钟频率和输出频率是两个相关参数，DDS的输出频率为：
N位的DDS的频率控制字为：
fw[N-1:0]＝2Nfo/fs (2)
式中，fo为输出频率；fs是时钟频率，fw[N-1:0]是频率控制字；N为相位累加器的位数。
4.根据权利要求1所述的校准系统，其特征在于，所述伺服等效器各测量通道内部电阻的校准主要是由所述数字多用表模块作为标准表，并通过所述信号适配箱内部的切换电路按校准程序切换所述伺服等效器各测量通道的内部电阻来实现。
5.根据权利要求1所述的校准系统，其特征在于，所述伺服等效器各测量通道频率响应特性的校准主要是通过所述超低频信号发生器产生超低频交流电压作为激励信号输入所述伺服等效器，并由所述示波器模块分别采集所述伺服等效器各测量通道的输入电压波形和输出电压波形，自动测量在不同激励信号频率下的输入/输出电压波形数据；然后按式(3)～(6)来计算频率响应特性，从而构建频响分析器来实现所述伺服等效器各测量通道频率响应特性的校准；
式中，a为频率响应特性实频；b为频率响应特性虚频；n为频响时刻；f(n)为相关信号n点值；Nc为相关周期数；Df为频率密度，即一周期内所发信号的点数；
由上式(3)和(4)得：
幅频特性r的计算公式为：
相频特性θ的计算公式为：
6.根据权利要求1到5任一项所述的校准系统，其特征在于，所述总线测控主机还包括总线机箱，且所述总线控制器模块、数字多用表模块、示波器模块和数据通信模块均为总线式板卡，各模块插入总线机箱构成便携式的总线测控主机。
7.根据权利要求1到5任一项所述的校准系统，其特征在于，总线为PXI总线、PXIe总线、C PCI总线和VXI总线中的任意一种。

说明书全文

一种伺服等效器的校准系统

技术领域

[0001] 本发明涉及专用测试设备计量技术领域，尤其涉及一种伺服等效器的校准系统。

背景技术

[0002] 伺服单元测试仪作为验证伺服机构基本性能的重要单机，在伺服机构科研生产中具有重要作用。由于伺服单元测试仪的工作方式与伺服机构紧密对应，对其进行量值溯源需要由伺服等效器来实现。伺服等效器采用与伺服机构同样的接口形式，分为作动器等效器(模拟等效器内阻和频率特性)和机构能源等效器(模拟机构能源内阻)两种类型，伺服等效器的量值准确性和可靠性直接影响伺服机构的性能。

[0003] 针对伺服等效器的校准，现有手段主要是通过手持式数表逐点测量伺服等效器内阻的方式来实现。由于手持式数表的接口为航插，测量多组插针之间对应的伺服等效器内阻极易出错，操作繁琐，容易引入误差。而通过频响分析仪来实现对作动器频率特性等效器的校准，作动器的频率特性主要集中在20Hz以下的超低频段，而通用的频响分析仪在超低频段测点较少，难以真正反映作动器的频率特性。

发明内容

[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种伺服等效器的校准系统，以构建新型的超低频频响分析器，实现伺服单元等效器的自动校准，简化校准操作，避免引入认为误差。

[0005] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种伺服等效器的校准系统，其特征在于，包括总线测控主机、信号适配箱和超低频信号发生器，且所述总线测控主机包括总线控制器模块、数字多用表模块、示波器模块和数据通信模块四部分；

[0006] 所述总线控制器模块通过所述数据通信模块分别与所述信号适配箱和超低频信号发生器的输入端连接，所述超低频信号发生器的输出端连接所述信号适配箱的输入端，所述数字多用表模块和示波器模块亦分别连接所述信号适配箱的输入端，所述信号适配箱的输出端分别连接所述伺服等效器的遥测和控制接口；

[0007] 所述总线控制器模块通过所述数据通信模块控制所述信号适配箱和超低频信号发生器按所述总线控制器模块内置的校准程序执行相应的动作，并通过所述数字多用表模块实现对所述伺服等效器各测量通道内部电阻的校准；所述示波器模块按校准程序采集所述伺服等效器各测量通道输入/输出电压波形数据，并控制所述信号适配箱进行测量通道的切换，实现对所述伺服等效器各测量通道频率响应特性的校准；所述超低频信号发生器为所述伺服等效器各测量通道频率响应特性的校准提供超低频段的激励信号，并与所述示波器模块共同构成频响分析器，实现对所述伺服等效器各测量通道频率响应特性中幅频特性和相频特性的校准；所述数据通信模块具备多个通信接口，实现所述总线控制器模块对所述信号适配箱和超低频信号发生器的数据交互和驱动控制。

[0008] 所述的校准系统，优选的，所述超低频信号发生器为一个频率、初相和幅值等可调的频率合成器，采用FPGA芯片作为DDS 数据处理芯片，主要由相位累加器、ROM查询表、DA转换器和低通滤波器组成；所述相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器级联而成，与频率控制字进行累加运算；所述ROM查询表为一个波形寄存器，以供查表使用，并将读出的波形数据送入所述DA转换器转换为阶梯型模拟波形，最后由所述低通滤波器将阶梯型模拟波形平滑为超低频的正弦连续电压波形输出。

[0009] 所述的校准系统，优选的，所述超低频信号发生器中DDS的时钟频率和输出频率是两个相关参数，DDS的输出频率为：

[0010]

[0011] N位的DDS的频率控制字为：

[0012] fw[N-1:0]＝2Nfo/fs (2)

[0013] 式中，fo为输出频率；fs是时钟频率，fw[N-1:0]是频率控制字；N为相位累加器的位数。

[0014] 所述的校准系统，优选的，所述伺服等效器各测量通道内部电阻的校准主要是由所述数字多用表模块作为标准表，并通过所述信号适配箱内部的切换电路按校准程序切换所述伺服等效器各测量通道的内部电阻来实现。

[0015] 所述的校准系统，优选的，所述伺服等效器各测量通道频率响应特性的校准主要是通过所述超低频信号发生器产生超低频交流电压作为激励信号输入所述伺服等效器，并由所述示波器模块分别采集所述伺服等效器各测量通道的输入电压波形和输出电压波形，自动测量在不同激励信号频率下的输入/输出电压波形数据；然后按式(3)～(6)来计算频率响应特性，从而构建频响分析器来实现所述伺服等效器各测量通道频率响应特性的校准；

[0016]

[0017]

[0018] 式中，a为频率响应特性实频；b为频率响应特性虚频；n为频响时刻；f(n)为相关信号n点值；Nc为相关周期数；Df为频率密度，即一周期内所发信号的点数；

[0019] 由上式(3)和(4)得：

[0020] 幅频特性r的计算公式为：

[0021]

[0022] 相频特性θ的计算公式为：

[0023]

[0024] 所述的校准系统，优选的，所述总线测控主机还包括总线机箱，且所述总线控制器模块、数字多用表模块、示波器模块和数据通信模块均为总线式板卡，各模块插入总线机箱构成便携式的总线测控主机。

[0025] 所述的校准系统，优选的，总线为PXI总线、PXIe总线、C PCI总线和VXI总线中的任意一种。

[0026] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提供的伺服等效器的校准系统，构建了新型的超低频频响分析器，实现伺服单元等效器的自动校准，简化校准操作，避免引入认为误差。2、本发明的超低频信号发生器采用基于FPGA芯片实现了一种高性能、易操作的DDS频率合成器，可产生高精度高稳定度的超低频的频率信号，并具有输出频率时间短，频率转换速度快，频率稳定度高、分辨率高，输出频率准确、杂散移植好等特点。附图说明

[0027] 图1是本发明实施例校准系统与伺服等效器的校准连接图；

[0028] 图2是本发明实施例超低频信号发生器的结构示意图。

具体实施方式

[0029] 以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

[0030] 如图1所示，本实施例提供的伺服等效器的校准系统，包括总线测控主机、信号适配箱和超低频信号发生器，且总线测控主机包括总线控制器模块、数字多用表模块、示波器模块和数据通信模块四部分。总线控制器模块通过数据通信模块分别与信号适配箱和超低频信号发生器的输入端连接，超低频信号发生器的输出端连接信号适配箱的输入端，数字多用表模块和示波器模块亦分别连接信号适配箱的输入端，信号适配箱的输出端分别连接伺服等效器的遥测和控制接口。

[0031] 其中，总线控制器模块通过数据通信模块控制信号适配箱和超低频信号发生器按总线控制器模块内置的校准程序执行相应的动作，并通过数字多用表模块实现对伺服等效器各测量通道内部电阻的校准。示波器模块按校准程序采集伺服等效器各测量通道输入/输出电压波形数据，并控制信号适配箱进行测量通道的切换，实现对伺服等效器各测量通道频率响应特性的校准。超低频信号发生器为伺服等效器各测量通道频率响应特性的校准提供超低频段的激励信号，并与示波器模块共同构成频响分析器，实现对伺服等效器各测量通道频率响应特性中幅频特性和相频特性的校准。数据通信模块具备多个通信接口，实现总线控制器模块对信号适配箱和超低频信号发生器的数据交互和驱动控制。

[0032] 在上述实施例中，优选的，如图2所示，超低频信号发生器为一个频率、初相和幅值等可调的频率合成器，采用FPGA芯片作为DDS数据处理芯片，主要由相位累加器、ROM查询表、DA转换器和低通滤波器等部分组成，其工作原理是以数控的方式产生频率和相位可控制的正弦波。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器级联而成，与频率控制字进行累加运算。ROM查询表为一个波形寄存器，以供查表使用，并将读出的波形数据送入DA转换器转换为阶梯型模拟波形，最后由低通滤波器将阶梯型模拟波形平滑为超低频的正弦连续电压波形输出。

[0033] 在上述实施例中，优选的，超低频信号发生器的DDS参数决定了频率合成器的最终性能，其中DDS的输出频率和时钟频率是两个相关参数，DDS的输出频率为：

[0034]

[0035] N位的DDS的频率控制字为：

[0036] fw[N-1:0]＝2Nfo/fs (2)

[0037] 式中，fo为输出频率；fs是时钟频率；fw[N-1:0]是频率控制字；N为相位累加器的位数。

[0038] 为了保证超低频信号发生器信号的输出质量，输出频率一般不大于系统时钟频率的40％，以免出现混叠。当时钟频率确定后，DDS的频率分辨率取决于相位累加器的字长，字长越大，频率分辨率越高。

[0039] 在上述实施例中，优选的，伺服等效器各测量通道内部电阻的校准主要是由数字多用表模块作为标准表，并通过信号适配箱内部的切换电路按校准程序切换伺服等效器各测量通道的内部电阻来实现。

[0040] 在上述实施例中，优选的，伺服等效器各测量通道频率响应特性的校准主要是通过超低频信号发生器产生超低频交流电压作为激励信号输入伺服等效器，并由示波器模块分别采集伺服等效器各测量通道的输入电压波形和输出电压波形，自动测量在不同激励信号频率下的输入/输出电压波形数据；然后按式(3)～(6)来计算频率响应特性，从而构建频响分析器来实现伺服等效器各测量通道频率响应特性的校准。

[0041]

[0042]

[0043] 式中，a为频率响应特性实频；b为频率响应特性虚频；n为频响时刻；f(n)为相关信号n点值；Nc为相关周期数；Df为频率密度，即一周期内所发信号的点数。

[0044] 由上式(3)和(4)得：

[0045] 幅频特性r的计算公式为：

[0046]

[0047] 相频特性θ的计算公式为：

[0048]

[0049] 在上述实施例中，优选的，总线测控主机还包括总线机箱，且总线控制器模块、数字多用表模块、示波器模块和数据通信模块均为总线式板卡，各模块插入总线机箱构成便携式的总线测控主机。

[0050] 在上述实施例中，优选的，总线可以为PXI总线、PXIe总线、CPCI总线和VXI总线中的任意一种。

[0051] 上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

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