电机驱动系统的固有频率测试设备及测试方法

技术领域

本发明涉及伺服系统技术领域，尤其涉及一种电机驱动系统的固有频率测试设备及测试方法。

背景技术

在转台伺服系统中，由于机械结构刚度、弹性系数、转动惯量的不同，系统的机械谐振频率也不同。系统的快速响应特性由其频带带宽反映，增大带宽可以提高系统的快速响应能力与精度，当机械谐振频率在系统的带宽范围之外时，由此带来的影响较小，但当机械谐振频率接近系统带宽时，对系统性能影响较大，严重时甚至会损坏物理结构。因此，在系统控制过程中，测试机械结构谐振频率点，能够确定不受机械谐振影响时系统带宽的上限阈值，据此可在调试前预估该系统的带宽能否满足给定的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何对目标电机驱动系统的固有频率进行测试，本发明提出一种电机驱动系统的固有频率测试设备及测试方法。

根据本发明实施例的电机驱动系统的固有频率测试设备，所述测试设备用于对目标电机驱动系统的固有频率进行测试，所述测试设备包括：

控制主板，所述控制主板设有用于发送SPWM控制信号的数字板；

驱动板，所述驱动板通过板间接插的方式连接于所述控制主板，所述驱动板接收所述SPWM控制信号，并根据所述SPWM控制信号控制所述电机的运行；

测量模块，与所述目标电机驱动系统连接，用于测量在扫频SPWM控制信号驱动下的所述目标电机驱动系统的状态参数，并根据所述状态参数获取所述目标电机驱动系统的固有频率；

电源模块，连接至所述控制主板产生各模块所需电源，所述驱动板和所述测量模块与所述控制主板连接，实现所述控制主板、所述驱动板和所述测量模块的供电。

根据本发明实施例的电机驱动系统的固有频率测试设备，通过测量模块测量在扫频SPWM控制信号驱动下的目标电机系统的状态参数，可以根据状态参数获取目标电机驱动系统的固有频率，测量方便、可靠，具有很高的使用价值。

根据本发明的一些实施例，所述控制主板设有控制信号选择模块和用于接收外部控制信号的信号源输入模块，

所述控制信号选择模块与所述数字板和所述信号源输入模块间可选择连接，当所述信号源输入模块接收到外部控制信号时，所述控制信号选择模块切换至与所述信号源输入模块连接。

在本发明的一些实施例中，所述驱动板包括：永磁同步电机驱动板和直流有刷电机驱动板，所述控制主板与所述驱动板采用兼容式板间连接。

根据本发明的一些实施例，所述测量模块包括磁电式振动传感器，所述磁电振动式传感器与所述目标电机驱动系统连接，以获取所述目标电机驱动系统的振动信号；

所述控制主板设有振动信号处理输出模块，所述信号处理输出模块与所述磁电式振动传感器连接，用于接收所述振动信号并进行处理后输出。

在本发明的一些实施例中，所述测量模块还包括设于所述控制主板的系统状态测量模块，所述系统状态测量模块与所述目标电机驱动系统和所述数字板均连接，所述系统状态测量模块用于获取所述目标电机驱动系统的位置参数和速度参数，并传递至所述数字板。

根据本发明的一些实施例，所述测试设备还包括：显示模块，所述显示模块包括设于所述控制主板的液晶显示屏和与所述控制主板连接的外接示波器。

在本发明的一些实施例中，所述电源模块包括内置电源模块和外置电源模块，所述控制主板设有连接所述外置电源模块和所述内置电源模块的电源选择模块。

根据本发明的一些实施例，所述电源选择模块设有防反接电路。

在本发明的一些实施例中，所述控制主板设有用于连接外部设备的串口通信接口。

根据本发明的一些实施例，所述数字板与所述驱动板之间设有隔离处理模块，用于对所述数字板和所述驱动板之间的信号进行隔离。

根据本发明实施例的电机驱动系统的固有频率测试方法，所述测试方法采用如上述所述的电机驱动系统的固有频率测试设备对目标电机驱动系统进行固定频率的测试，所述方法包括：

S100，驱动板接收控制信号，并根据所述控制信号控制电机运行；

S200，通过测量模块测量在不同控制信号驱动下的目标电机驱动系统的状态参数，以根据所述状态参数获取所述目标电机驱动系统的固有频率。

根据本发明实施例的电机驱动系统的固有频率测试方法，适用范围广，设计了两种电源输入方式，适用于宽范围电压输入，当内部供电工作时外部电源接入，能够自动切换至外部电源供电且具有防反接保护；设计了两种电机驱动方式，当数字板控制时，外部信号发生器接入，能够自动切换至外部信号发生器输入控制。并且能够适用于检测直流有刷电机与永磁同步电机工作的系统。通过位置速度检测、振动传感器信号观测等功能，实现多方式判断机械谐振频率点，所测量的位置速度等信息可通过液晶显示屏显示输出，方便携带，具有很高的使用价值。

附图说明

图1为根据本发明实施例的电机驱动系统的固有频率测试设备原理示意图；

图2为根据本发明实施例的电机驱动系统的固有频率测试设备组成示意图；

图3为根据本发明实施例的电机驱动系统的固有频率测试设备的数字板的组成示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

根据本发明实施例的电机驱动系统的固有频率测试设备，测试设备用于对目标电机驱动系统的固有频率进行测试，如图1和图2所示，测试设备包括：控制主板，驱动板，测量模块和电源模块。

具体而言，控制主板设有用于发送SPWM控制信号的数字板。需要说明的是本申请中“SPWM控制信号”为“正弦脉宽调制控制信号”。

驱动板通过板间接插的方式连接于控制主板，驱动板接收所述SPWM控制信号，并根据SPWM控制信号控制电机的运行。

测量模块与目标电机驱动系统连接，用于测量在扫频SPWM控制信号驱动下的目标电机驱动系统的状态参数，并根据状态参数获取目标电机驱动系统的固有频率。

电源模块连接至控制主板产生各模块所需电源，驱动板和测量模块与控制主板连接，实现控制主板、驱动板和测量模块供电。

根据本发明实施例的电机驱动系统的固有频率测试设备，通过测量模块测量在扫频SPWM控制信号驱动下的目标电机驱动系统的状态参数，可以根据状态参数获取目标电机驱动系统的固有频率，测量方便、可靠，具有很高的使用价值。

根据本发明的一些实施例，如图2所示，控制主板设有控制信号选择模块和用于接收外部控制信号的信号源输入模块。

其中，控制信号选择模块与数字板和信号源输入模块间可选择连接，当信号源输入模块接收到外部控制信号时，控制信号选择模块切换至与信号源输入模块连接。

需要说明的是，本发明在提供电机控制信号上采用了两种方法：一种为外部连接信号发生器，由信号发生器提供驱动控制信号；另一种为通过系统控制主板上的数字板进行驱动信号输出控制。当数字板控制时，外部信号发生器接入，能够自动切换至外部信号发生器输入控制，由此，可预防同时使用两种控制信号输入方式所造成的电路异常情况。

如图3所示，数字板包括FPGA和DSP处理器，外部数据传递至数字板中的FPGA，有FPGA和DSP处理器进行处理后进行信号输出，输出的信号包括对电机的控制信号和发送至液晶显示的数据。

在本发明的一些实施例中，驱动板包括：永磁同步电机驱动板和直流有刷电机驱动板，控制主板与驱动板采用兼容式板间连接。

也就是说，本发明提供了两种电机驱动板，一种为永磁同步电机驱动板，另一种为直流有刷电机驱动板，设计中采取兼容式板间连接。当采用直流有刷电机时，通过直流有刷电机驱动板对电机的力矩进行控制，驱动板输出电流经过电流传感器后进入电机后形成回路，电流传感器的感应信号经电路处理后进行采集计算，只需要一路电流传感器。而当采用永磁同步电机时，通过永磁同步电机驱动板对电机的力矩进行控制，在对电流进行采集时，需要3路电流传感器分别对三相电流进行采集。

根据本发明的一些实施例，测量模块包括磁电式振动传感器，磁电振动式传感器与目标电机驱动系统连接，以获取目标电机驱动系统的振动信号；

控制主板设有振动信号处理输出模块，信号处理输出模块与磁电式振动传感器连接，用于接收振动信号并进行处理后输出。

需要说明的是，在判断谐振频率点时，示波器连接至信号处理输出模块的输出端，可以直观观测振动信号变化，确定振动强度出现的极大值点，通过控制驱动信号扫频，测量系统的工作状态，当系统的振动强度出现极大值点时，该点的扫频频率即为系统的机械谐振频率。

在本发明的一些实施例中，测量模块还包括设于控制主板的系统状态测量模块，系统状态测量模块与目标电机驱动系统和数字板均连接，系统状态测量模块用于获取目标电机驱动系统的位置参数和速度参数，并传递至数字板。

需要说明的是，在判断谐振频率点时，根据系统状态测量模块可以对目标电机驱动系统进行速度检测和位置检测，数字板根据测量模块获取的信息确定目标电机驱动系统的速度和位置出现的极大值点，通过控制驱动信号扫频，测量系统的工作状态，当系统的速度、位置出现极大值点时，该点的扫频频率即为系统的机械谐振频率。

根据本发明的一些实施例，测试设备还包括：显示模块，显示模块包括设于控制主板的液晶显示屏和与控制主板连接的外接示波器。可以理解的是，通过设置显示模块，便于测试结果的呈现和观察。

在本发明的一些实施例中，电源模块包括内置电源模块和外置电源模块，控制主板设有连接外置电源模块和内置电源模块的电源选择模块。

需要说明的是，电源的正常工作是系统稳定的保障，本发明电源输入方式有两种：内置电源输入方式和外置电源输入方式。

其中，内置电源为24V/20A输入，外置电源为5.9V～47V/20A输入，可选择一种方式接入电源，当内部供电工作时外部电源接入，能够自动切换至外部电源供电且具有防反接保护，可预防同时使用两种电源输入方式所造成的电路异常情况。

在本发明的一些实施例中，控制主板设有用于连接外部设备的串口通信接口。串口通信接口可以通过搭建通用RS485/RS422电路实现上位机与控制板之间的通信。

根据本发明的一些实施例，数字板与驱动板之间设有隔离处理模块，用于对数字板和驱动板之间的信号进行隔离。由此，可以避免数字板与驱动板间的信号干扰，提高测试设备的抗干扰性能。

根据本发明实施例的电机驱动系统的固有频率测试方法，测试方法采用如上述的电机驱动系统的固有频率测试设备对目标电机驱动系统进行固定频率的测试，方法包括：

S100，驱动板接收控制信号，并根据控制信号控制电机运行；

S200，通过测量模块测量在不同控制信号驱动下的目标电机驱动系统的状态参数，以根据状态参数获取目标电机驱动系统的固有频率。

根据本发明实施例的电机驱动系统的固有频率测试方法，适用范围广，设计了两种电源输入方式，适用于宽范围电压输入，当内部供电工作时外部电源接入，能够自动切换至外部电源供电且具有防反接保护；设计了两种电机驱动方式，当数字板控制时，外部信号发生器接入，能够自动切换至外部信号发生器输入控制。并且能够适用于检测直流有刷电机与永磁同步电机工作的系统。通过位置速度检测、振动传感器信号观测等功能，实现多方式判断机械谐振频率点，所测量的位置速度等信息可通过液晶显示屏显示输出，方便携带，具有很高的使用价值。

下面参照附图以一个具体的实施例详细描述根据本发明的电机驱动系统的固有频率测试设备及测试方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性描述，而不应理解为对本发明的具体限制。

根据系统的机械谐振频率，可以确定系统本身带宽的上限阈值，因此在调试系统前，能够根据系统的机械谐振频率预估该系统带宽能否满足给定的要求。在已知机械谐振频率后，其带宽受限原因便可快速确定，降低时间成本，故本发明提供了一种电机驱动系统的轴系固有频率测试设备及方法。

为了扩展应用范围，本发明针对不同类型的电机进行了兼容设计，通过板间连接不同类型的驱动板，能够对直流有刷电机和永磁同步电机进行控制。当采用直流有刷电机时，通过直流有刷电机驱动板对电机的力矩进行控制，驱动板输出电流经过电流传感器后进入电机后形成回路，电流传感器的感应信号经电路处理后进行采集计算，只需要一路电流传感器。而当采用永磁同步电机时，通过永磁同步电机驱动板对电机的力矩进行控制，在对电流进行采集时，需要3路电流传感器分别对三相电流进行采集。

电源的正常工作是系统稳定的保障，本发明电源输入方式有两种，内置电源输入方式和外置电源输入方式，内置电源为24V/20A输入，外置电源为5.9V～47V/20A输入，可选择一种方式接入电源，当内部供电工作时外部电源接入，能够自动切换至外部电源供电且具有防反接保护，可预防同时使用两种电源输入方式所造成的电路异常情况。

为了测量系统机械谐振频率，本发明通过电机驱动板的控制信号扫频，测量系统的工作状态判断谐振频率点。在提供电机控制信号上同样采用两种方法，一种为外部连接信号发生器，由信号发生器提供驱动控制信号，信号发生器与电机驱动板之间的信号经过光耦隔离处理；一种为通过系统控制母板上的数字板进行驱动信号输出控制，数字板与电机驱动板之间的控制信号经过磁隔离处理两种方式的隔离可以有效避免板间干扰并提供板间电路隔离保护。

当数字板控制时，外部信号发生器接入，能够自动切换至外部信号发生器输入控制，可预防同时使用两种控制信号输入方式所造成的电路异常情况。

在判断谐振频率点时，根据其速度检测、位置检测、振动传感器观测等方式获取的信息确定系统的速度、位置、振动强度出现的极大值点，通过控制驱动信号扫频，测量系统的工作状态，当系统的速度、位置、振动强度出现极大值点时，该点的扫频频率即为系统的机械谐振频率。以此为基础，通过在系统上安装磁电式振动传感器，并对振动传感器的反馈信号进行增益可调的电路处理，可通过外接示波器对系统振动状态进行直接观测。

本发明使用增量式编码器与绝对式编码器实现位置测量；在转速很低、编码器精度不够的情况下利用测速机实现速度检测；在系统上安装磁电式振动传感器，通过对振动传感器的反馈信号的处理放大，可以在外接示波器上直观的观测到系统的振动状态。

在以上功能基础上，本发明还包含了液晶显示、串口通信、数据存储、网络板通信控制等功能，串口通信通过搭建通用RS485/RS422电路实现上位机与控制板之间的通信，整个系统状态的测量数据处理后可在液晶显示屏上显示。

综上所述，本发明适用范围广，设计了两种电源输入方式：外部电源输入和内部电源输入，适用于宽范围电压输入，当内部供电工作时外部电源接入，能够自动切换至外部电源供电且具有防反接保护；设计了两种电机驱动方式：外部PWM信号发生器驱动方式和数字板输出PWM信号驱动方式，当数字板控制时，外部信号发生器接入，能够自动切换至外部信号发生器输入控制。并且能够适用于检测直流有刷电机与永磁同步电机工作的系统。通过位置速度检测、振动传感器信号观测等功能，实现多方式判断机械谐振频率点，所测量的位置速度等信息可通过液晶显示屏显示输出，方便携带，具有很高的使用价值。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。