CN101727092B - 频谱分析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种频谱分析系统,包括一控制平台、一驱动装置及一受控系统;所述控制平台包括一第一通信传输装置,所述驱动装置包括一第二通信传输装置、一信号源及一数据记录器;所述第一通信传输装置与所述第二通信传输装置相连,所述第二通信传输装置与所述信号源相连,所述信号源与所述数据记录器及受控系统相连,所述数据记录器与所述受控系统及第二通信传输装置相连。所述控制平台发送一触发命令给所述信号源以提供一输入信号给所述伺服系统的一控制回路,所述受控系统输出一输出信号,所述控制平台对所述输入信号及输出信号进行时域信号与频域信号的转换,并得到转换后的入信号及输出信号的幅频特性关系。本发明还提供一种频谱分析方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种频谱分析系统及方法,特别涉及一种应用于伺服系统的频谱分析系统及方法。
背景技术
所谓频谱分析,是指将信号源发出的信号强度按其频率顺序展开,使其成为频率的函数,并考察其变化规律;也就是,将时域信号转换为频域信号以对信号进行分析的一种方法。
在工业应用场合中,加工机台性能的优劣,除了取决于驱动器、电动机以及机构本身的性能与特性外,还有控制参数的最优化等。如何根据不同的工业应用调整出最佳的控制参数对于伺服系统来说非常重要。当伺服系统取得最佳控制参数时,可在保证系统稳定的前提下使电动机的输出信号的频率范围最大,此时输出信号的频率范围为伺服系统的频宽。目前,工业上驱动器的频谱分析一般是采用伺服系统的仿真模型,而并非由实际操作的伺服系统取得信息,因此由仿真得到的控制参数应用在实际操作的伺服系统中,不能取得最佳的效果。
发明内容
鉴于上述内容,有必要提供一种频谱分析系统及方法,用于得到一幅频特性曲线。另外亦可在一伺服系统实际操作过程中进行控制参数调整从而确定所述伺服系统的最佳控制参数。
一种频谱分析系统,包括一控制平台及一伺服系统;所述控制平台包括一第一通信传输装置,所述伺服系统包括一驱动装置及一受控系统;所述驱动装置包括一第二通信传输装置、一信号源以及一数据记录器;所述第一通信传输装置与所述第二通信传输装置相连,所述第二通信传输装置与所述信号源相连,所述信号源与所述数据记录器以及所述受控系统相连,所述数据记录器与所述受控系统及所述第二通信传输装置相连;所述控制平台通过所述第一通信装置及第二通信装置向所述信号源发送一触发命令以触发所述信号源产生一频率响应触发信号,并作为所述伺服系统的一控制回路的输入信号传送给所述受控系统,所述受控系统收到所述输入信号后输出一输出信号,所述数据记录器将所述输入信号及输出信号记录下来并回传给所述控制平台,所述控制平台将所述输入信号、输出信号从时域信号转换为频域信号以得到转换后的输入信号及输出信号的幅频特性关系,并控制所述输出信号的衰减值为某一设定值,从而得到所述伺服系统的控制回路的输出信号的频率范围。
一种频谱分析方法,包括以下步骤:
通过一控制平台对一伺服系统的一控制回路进行频率响应条件设定,所述伺服系统包括一驱动装置及一受控系统;
所述控制平台发送一触发命令,通过所述控制平台内部的一第一通信传输装置及所述驱动装置内部的一第二通信传输装置将所述触发命令传送给所述驱动装置内部的一信号源;
所述信号源产生一频率响应触发信号,并将所述频率响应触发信号作为所述伺服系统的控制回路的输入信号传送给所述受控系统及驱动装置内部的一数据记录器;
所述受控系统收到输入信号后输出一输出信号,所述数据记录器将所述受控系统的输入信号以及输出信号回传给所述控制平台;
所述控制平台存储所述数据记录器反馈回来的受控系统的输入信号以及输出信号;
所述控制平台将所述输入信号及输出信号从时域信号转换为频域信号;
所述控制平台对转换后的输入信号及输出信号进行处理以得到转换后的输入信号及输出信号的幅频特性关系,并控制所述输出信号的衰减值为某一设定值,从而得到所述伺服系统的控制回路的输出信号的频率范围。
上述频谱分析系统及方法通过对伺服系统的一控制回路的输入信号及输出信号进行转换,并对转换后的输入信号及输出信号进行处理以得到伺服系统的输入信号及输出信号的幅频特性关系,然后控制所述输出信号的衰减值为某一设定值,从而得到所述伺服系统的控制回路的输出信号的频率范围。
附图说明
图1为本发明频谱分析系统的较佳实施方式的方框图。
图2为本发明频谱分析方法的较佳实施方式的流程图。
图3为图1中伺服系统的速度环的输入、输出信号在时域上的曲线图。
图4为图1中伺服系统的速度环频率响应的幅频特性曲线图。
图5为图1中伺服系统的电流环的输入、输出信号在时域上的曲线图。
图6为图1中伺服系统的流环频率响应的幅频特性曲线图。
具体实施方式
下面参照附图结合具体实施方式对本发明作进一步的描述:
请参考图1,本发明频谱分析系统的较佳实施方式包括一伺服系统400及一控制平台100如一计算机。所述伺服系统400包括一驱动装置200(如一驱动器)及一受控系统300(如一电动机)。本实施例通过频谱分析调整所述伺服系统400的控制回路的比例积分增益以获得其控制回路的频宽(即所述伺服系统400输出信号的最大频率范围)。本实施例采用伺服系统400的电流环及速度环两个控制回路为例。
所述控制平台100包括一通信传输装置102,所述驱动装置200包括一通信传输装置202、一信号源204以及一数据记录器(datalogger)206。所述控制平台100的通信传输装置102与所述驱动装置200的通信传输装置202相连。所述驱动装置200的通信传输装置202与所述信号源204相连。所述信号源204与所述数据记录器206以及受控系统300相连。所述数据记录器206与所述受控系统300以及所述通信传输装置202相连。所述信号源204可为一可提供多种频率信号成分的信号源,如一线性调频(Chirp)信号源。本实施例中,所述受控系统300的输出信号的衰减值控制为3dB,即在所述受控系统300的输出信号的强度为输入信号的0.707倍时,通过伺服系统400的输入信号与输出信号的幅频特性关系得到伺服系统400输出信号的频率范围。然后,在保证所述伺服系统400稳定的前提下调整伺服系统400的控制回路的比例积分增益从而获得伺服系统400的控制回路的频宽,从而确定伺服系统400的速度环或电流环的比例积分增益。
请参考图2,本发明频谱分析方法的较佳实施方式包括以下步骤:
S1:通过所述控制平台100对伺服系统400的一控制回路进行频率响应条件设定,即设定伺服系统400的该控制回路的输入信号的偏移量、振幅及取样时间;
S2:所述控制平台100发送一触发命令,并通过其内部的通信传输装置102及所述驱动装置200内部的通信传输装置202将所述触发命令传送给所述信号源204;
S3:所述信号源204根据所接收到的触发命令产生一频率响应触发信号,并将所述频率响应触发信号作为所述伺服系统400的控制回路的输入信号传送给所述受控系统300及数据记录器206;
S4:所述受控系统300收到所述输入信号后输出一输出信号给所述数据记录器206,所述驱动装置200内的数据记录器206将所述受控系统300的输入信号以及输出信号以一定的取样频率记录下来,并通过通信传输装置202、102回传给所述控制平台100;
S5:所述控制平台100存储所述数据记录器206反馈回来的受控系统300的输入信号以及输出信号;
S6:所述控制平台100对所述受控系统300的输入信号以及输出信号进行快速傅立叶转换;
S7:所述控制平台100对经过快速傅立叶转换后的输入信号及输出信号进行处理并绘制所述伺服系统400的控制回路的幅(Magnitude)频(Frequency)特性曲线,同时控制所述输出信号的衰减值为某一设定值,从而得到所述伺服系统400的控制回路的输出信号的频率范围。
此时,操作者根据伺服系统400的工作状态,比如根据伺服系统400的稳态性能,判断此时所述伺服系统400的控制回路的输出信号的频率范围是否为所述伺服系统400的控制回路的频宽,并根据实际需要,调整所述伺服系统400的控制回路的比例积分增益,来达到所述伺服系统400的控制回路的频宽。下面以伺服系统400的速度环与电流环两个控制回路为例进行详细说明。
图3为所述伺服系统400的速度环的输入、输出信号在时域上的曲线图,本实施例中,频谱分析系统速度环的条件设定为:转速偏移量S1=300rpm,转速振幅M1=200rpm,取样时间t1=1ms。所述控制平台100根据以上条件进行设定后,所述信号源204为所述受控系统300提供一输入信号V1,所述受控系统300在获得输入信号V1之后输出一输出信号V2,所述输入信号V1及输出信号V2在时域上的图形如图3所示。所述控制平台100存储所述输入信号V1及输出信号V2,并分别对其进行快速傅立叶转换,之后绘制速度环的幅频特性曲线,如图4所示。根据图4可得知,当所述受控系统300的输出信号V2的衰减值为3dB时,所述伺服系统400速度环的输出信号V2的频率范围为130Hz。如果判断此时所述伺服系统400仍然稳定,即所述受控系统300的噪音及振动等因素在容许范围内,则表示此时所述伺服系统400速度环的频率范围可能小于其频宽,此时操作者可通过增大速度环的比例积分增益来增大所述伺服系统400的速度环的频率范围以获得速度环的频宽。增大所述伺服系统400的比例积分增益可增大其输出信号V2的频率范围,但同时系统的稳定性也会受到影响。如果判断此时所述伺服系统400的稳定性不符合要求,即所述受控系统300的噪音及振动等因素超过容许范围,则表示此时所述伺服系统400的速度环的频率范围大于其频宽,此时操作者可通过减小速度环的比例积分增益来减小所述伺服系统400的速度环的频率范围以获得速度环的频宽。当所述伺服系统400的速度环的频宽确定之后,其速度环的比例积分增益的值也就确定。
图5为所述伺服系统400的电流环的输入、输出信号在时域上的曲线图,本实施例中,伺服系统400的电流环的条件设定为:电流偏移量:S2=0mA,电流振幅:M2=1500mA,取样时间t2=0.05ms;所述控制平台100根据以上条件进行设定后,所述信号源204为所述受控系统300提供一输入信号I1,所述受控系统300在获得输入信号I1之后输出一输出信号I2,所述输入信号I1及输出信号I2在时域上的图形如图5所示。所述控制平台100对所述输入信号I1及输出信号I2进行快速傅立叶转换,之后绘制电流环的幅频特性曲线,如图6所示。根据图6可得知,当所述受控系统300的输出信号I2的衰减值为3dB时,所述伺服系统400的电流环的输出信号I2的频率范围为1400Hz。如果此时所述伺服系统400仍然稳定,则表示此时所述伺服系统400的电流环的频率范围可能小于其频宽,此时操作者可通过增大电流环的比例积分增益来增大所述伺服系统400的电流环的频率范围以获得电流环的频宽。如果此时所述伺服系统400的稳定性不符合要求,则表示此时所述伺服系统400的电流环的频率范围可能大于其频宽,此时操作者可通过减小电流环的比例积分增益来减小所述伺服系统400的电流环的频率范围以获得电流环的频宽。当所述伺服系统400的电流环的频宽确定之后,其电流环的比例积分增益的值也就确定。
本实施例针对伺服系统400的电流环及速度环两个控制回路进行频谱分析以确定其最佳控制参数。在其他实施例中,也可对伺服系统400的其他控制回路按照上述方法进行频谱分析以确定其最佳控制参数,比如对伺服系统400的压力环进行频谱分析以确定其压力环的比例积分增益。
上述频谱分析系统及方法通过对电动机300的输入信号及输出信号进行快速傅立叶转换并绘制幅频特性曲线,得到所述伺服系统400的电流环及速度环的输出信号的频率范围,并根据此时所述伺服系统400的工作状态来调整所述伺服系统400的速度环以及电流环的比例积分增益,从而获得所述伺服系统400的电流环及速度环的频宽,最终确定其速度环以及电流环的比例积分增益从而确定所述伺服系统400的最佳控制参数。
Claims (10)
1.一种频谱分析系统,包括一控制平台及一伺服系统;所述控制平台包括一第一通信传输装置,所述伺服系统包括一驱动装置及一受控系统;所述驱动装置包括一第二通信传输装置、一信号源以及一数据记录器;所述第一通信传输装置与所述第二通信传输装置相连,所述第二通信传输装置与所述信号源相连,所述信号源与所述数据记录器以及所述受控系统相连,所述数据记录器与所述受控系统及所述第二通信传输装置相连;所述控制平台通过所述第一通信装置及第二通信装置向所述信号源发送一触发命令以触发所述信号源产生一频率响应触发信号,并作为所述伺服系统的一控制回路的输入信号传送给所述受控系统,所述受控系统收到所述输入信号后输出一输出信号,所述数据记录器将所述输入信号及输出信号记录下来并回传给所述控制平台,所述控制平台将所述输入信号、输出信号从时域信号转换为频域信号,并对经过转换后的输入信号及输出信号进行处理以得到转换后的输入信号及输出信号的幅频特性关系,并控制所述输出信号的衰减值为某一设定值,从而得到所述伺服系统的控制回路的输出信号的频率范围。
2.如权利要求1所述的频谱分析系统,其特征在于:所述控制平台是通过快速傅立叶转换将所述输入信号、输出信号从时域信号转换为频域信号。
3.如权利要求1所述的频谱分析系统,其特征在于:所述伺服系统的控制回路为所述伺服系统的一电流环。
4.如权利要求1所述的频谱分析系统,其特征在于:所述伺服系统的控制回路为所述伺服系统的一速度环。
5.如权利要求1所述的频谱分析系统,其特征在于:所述输出信号的衰减值为3dB。
6.一种频谱分析方法,包括以下步骤:
通过一控制平台对一伺服系统的一控制回路进行频率响应条件设定,所述伺服系统包括一驱动装置及一受控系统;
所述控制平台发送一触发命令,通过所述控制平台内部的一第一通信传输装置及所述驱动装置内部的一第二通信传输装置将所述触发命令传送给所述驱动装置内部的一信号源;
所述信号源产生一频率响应触发信号,并将所述频率响应触发信号作为所述伺服系统的控制回路的输入信号传送给所述受控系统及驱动装置内部的一数据记录器;
所述受控系统收到输入信号后输出一输出信号,所述数据记录器将所述受控系统的输入信号以及输出信号回传给所述控制平台;
所述控制平台存储所述数据记录器反馈回来的受控系统的输入信号以及输出信号;
所述控制平台将所述输入信号及输出信号从时域信号转换为频域信号;
所述控制平台对转换后的输入信号及输出信号进行处理以得到转换后的输入信号及输出信号的幅频特性关系,并控制所述输出信号的衰减值为某一设定值,从而得到所述伺服系统的控制回路的输出信号的频率范围。
7.如权利要求6所述的频谱分析方法,其特征在于:所述控制平台是通过快速傅立叶转换将所述输入信号、输出信号从时域信号转换为频域信号。
8.如权利要求6所述的频谱分析方法,其特征在于:所述伺服系统的控制回路为所述伺服系统的一电流环。
9.如权利要求6所述的频谱分析方法,其特征在于:所述伺服系统的控制回路为所述伺服系统的一速度环。
10.如权利要求6所述的频谱分析方法,其特征在于:所述输出信号的衰减值为3dB。
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120620 Termination date: 20201031 |
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