本發(fā)明涉及測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器，具體涉及一種數(shù)字舵系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試裝置及測(cè)試方法。

背景技術(shù)：

舵系統(tǒng)是飛機(jī)、導(dǎo)彈等系統(tǒng)中控制飛行器姿態(tài)的主要部件。根據(jù)通信方式的不同，舵系統(tǒng)可分為模擬舵系統(tǒng)和數(shù)字舵系統(tǒng)。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，以及數(shù)字信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)噪聲積累、便于加密、存儲(chǔ)和交換等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，數(shù)字舵系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸成為主流。

系統(tǒng)的頻率響應(yīng)一般是指系統(tǒng)對(duì)正弦信號(hào)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。穩(wěn)態(tài)是系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后的狀態(tài)。系統(tǒng)的頻率響應(yīng)由幅頻特性和相頻特性兩部分組成。幅頻特性表示增益的增減同信號(hào)頻率的關(guān)系；相頻特性表示不同信號(hào)頻率下的相位畸變關(guān)系。在控制論中，根據(jù)頻率響應(yīng)可以很方便的分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和其他運(yùn)動(dòng)特性。頻率響應(yīng)的概念在系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要，一般是產(chǎn)品的出廠必檢指標(biāo)。

數(shù)字信號(hào)由于自身特點(diǎn)，技術(shù)要求復(fù)雜，尤其是同步技術(shù)要求精度很高。在數(shù)字舵系統(tǒng)頻率響應(yīng)測(cè)試中，信號(hào)的同步處理一直是技術(shù)難題。本發(fā)明提出了一種數(shù)字舵系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試方法及裝置準(zhǔn)確可靠地解決了這一問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種利用旋轉(zhuǎn)式角度傳感器完成數(shù)字舵系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試的新方法，目的在于準(zhǔn)確可靠地確定舵系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。

本發(fā)明的數(shù)字舵系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的測(cè)試裝置包括旋轉(zhuǎn)式角度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和測(cè)試模塊，將測(cè)試模塊與信號(hào)調(diào)理電路連接，通過(guò)測(cè)試模塊的測(cè)試軟件向信號(hào)調(diào)理電路發(fā)送頻響測(cè)試指令，所述信號(hào)調(diào)理電路與數(shù)字舵系統(tǒng)連接，以向數(shù)字舵系統(tǒng)發(fā)送正弦波控制信號(hào)，數(shù)字舵系統(tǒng)與角度傳感器連接，通過(guò)角度傳感器將舵系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓，通過(guò)與角度傳感器連接的數(shù)據(jù)采集卡同步采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給測(cè)試軟件進(jìn)行頻率響應(yīng)特性測(cè)試計(jì)算。

優(yōu)選所述旋轉(zhuǎn)式角度傳感器輸入為舵機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角，輸出為模擬電壓，完成舵機(jī)轉(zhuǎn)角的實(shí)時(shí)模擬反饋。

優(yōu)選所述信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字舵系統(tǒng)的正弦波控制信號(hào)輸入，實(shí)施過(guò)程為調(diào)理電路接收到上位機(jī)發(fā)出的頻率響應(yīng)測(cè)試命令后，將N≧8個(gè)完整周期的固定幅值和頻率的正弦波信號(hào)在滿足香濃采樣定理的前提下離散化，并以一定周期通過(guò)通信接口下發(fā)到數(shù)字舵系統(tǒng)，而且電路在發(fā)出控制指令的同時(shí)向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。

優(yōu)選所述數(shù)據(jù)采集卡在接收到信號(hào)調(diào)理電路發(fā)出的觸發(fā)指令后，能夠以連續(xù)模式采集角度傳感器的反饋信號(hào)。

優(yōu)選所述測(cè)試模塊運(yùn)行測(cè)試軟件，用以向信號(hào)調(diào)理電路發(fā)送“頻率響應(yīng)特性測(cè)試”指令，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡并記錄采集數(shù)據(jù)，并基于傅里葉變換算法實(shí)現(xiàn)幅頻特性和相頻特性的計(jì)算。

本發(fā)明的數(shù)字舵系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試方法，其特征在于，包括：步驟1、將舵機(jī)輸出軸與角度傳感器輸入軸通過(guò)工裝進(jìn)行機(jī)械連接；步驟2、將數(shù)字舵系統(tǒng)的通信接口與權(quán)利要求1-4所述的測(cè)試裝置的通信接口進(jìn)行連接；步驟3、由測(cè)試裝置通過(guò)通信接口向數(shù)字舵系統(tǒng)發(fā)送固定幅值和頻率的正弦波控制信號(hào)，測(cè)試裝置同步采集旋轉(zhuǎn)式角度傳感器的輸出信號(hào)，即舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度；步驟4、數(shù)據(jù)采集完成后，測(cè)試裝置中的上位機(jī)軟件利用傅里葉變換方法完成舵系統(tǒng)幅頻特性、相頻特性的計(jì)算。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明數(shù)字舵系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試裝置及測(cè)試方法利用旋轉(zhuǎn)式角度傳感器將舵系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓；利用信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)發(fā)送控制指令和采集反饋信號(hào)的同步；同時(shí)基于傅里葉變換的幅頻特性計(jì)算方法自帶均值濾波效果，穩(wěn)定、可靠地完成了幅頻特性和相頻特性的計(jì)算。

附圖說(shuō)明

圖1為數(shù)字舵系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試裝置及測(cè)試方法的原理框圖。

圖2為數(shù)字舵系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試方法流程圖。

圖3為測(cè)試軟件流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的基本思想是：由測(cè)試軟件向信號(hào)調(diào)理電路發(fā)送頻響測(cè)試指令，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路向數(shù)字舵系統(tǒng)下發(fā)正弦波控制信號(hào)，利用角度傳感器將舵系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓并由數(shù)據(jù)采集卡同步采集，頻率響應(yīng)特性測(cè)試的核心算法即基于傅里葉變換的頻響計(jì)算方法由軟件實(shí)現(xiàn)。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明數(shù)字舵系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試裝置及測(cè)試方法的原理框圖。圖2為本發(fā)明數(shù)字舵系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試方法流程圖，如圖2所示，本發(fā)明數(shù)字舵系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試方法包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)原理框圖確定測(cè)試裝置各部分的電氣連接關(guān)系。

步驟2：頻率響應(yīng)特性測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送。

步驟2.1首先由測(cè)試軟件按照數(shù)字協(xié)議通過(guò)422串口將“頻率響應(yīng)特性測(cè)試”指令下發(fā)至信號(hào)調(diào)理電路，指令包括測(cè)試條件即幅值信息、頻率信息，如測(cè)試數(shù)字舵系統(tǒng)在幅值為±1度、頻率為15Hz條件下的頻率響應(yīng)特性；

步驟2.2信號(hào)調(diào)理電路在接收到“頻率響應(yīng)特性測(cè)試”指令后，完成數(shù)字協(xié)議的解析，確定測(cè)試條件即幅值k、頻率f。然后同時(shí)向數(shù)字舵系統(tǒng)發(fā)送符合測(cè)試條件的N(N≧8)個(gè)完成周期的正弦波控制信號(hào)和向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。這里，正弦波控制信號(hào)是滿足香濃采樣定理的離散信號(hào)即一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合且下發(fā)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)控制信號(hào)的時(shí)間間隔需要嚴(yán)格控制，下發(fā)的單點(diǎn)控制信號(hào)為滿足舵系統(tǒng)通信協(xié)議的數(shù)字信號(hào)；觸發(fā)信號(hào)是固定輸出引腳的一個(gè)持續(xù)一定時(shí)間的高電平信號(hào)。

步驟3：頻率響應(yīng)特性測(cè)試數(shù)據(jù)采集。在接收到觸發(fā)信號(hào)后，數(shù)據(jù)采集卡立即以連續(xù)方式采集經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后的角度傳感器的反饋信號(hào)，采集時(shí)長(zhǎng)為N/f。這里，角度傳感器的反饋信號(hào)即是數(shù)字舵系統(tǒng)的輸出信號(hào)。

步驟4：頻率響應(yīng)特性測(cè)試數(shù)據(jù)處理。測(cè)試軟件按照傅里葉變換算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到幅頻特性和相頻特性測(cè)試結(jié)果，并顯示。傅里葉變換算法的數(shù)學(xué)原理介紹如下：

若控制信號(hào)為幅值為A、頻率為f的正弦信號(hào)即f₁(t)＝Asin(2πf*t)，存在對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)f₂(t)＝Acos(2πf*t)，反饋信號(hào)為幅頻特性為k、相拼特性為Φ的正弦信號(hào)即g(t)＝Aksin(2πf*t+Φ)(0<Φ<180)，則存在如下數(shù)學(xué)關(guān)系：

其中，N為正整數(shù)表示周期個(gè)數(shù)；從而有：

下面為按照具體實(shí)施方式完成的一個(gè)具體實(shí)施例：

系統(tǒng)軟硬件介紹如下：

<1>數(shù)字舵系統(tǒng)

422串口通信，波特率115200，數(shù)據(jù)位8，停止位1，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。

<2>角度傳感器

WDD35D-4角度傳感器，電氣轉(zhuǎn)角90度，線性度0.1％，輸出0到5v模擬電平。

<3>信號(hào)調(diào)理電路

自研的基于STM32處理器的電路板，完成協(xié)議解析、同步觸發(fā)、信號(hào)收發(fā)等功能。

<4>數(shù)據(jù)采集卡

ADLINKNuDAQ PCI-9222數(shù)據(jù)采集卡，16路模擬信號(hào)采集，32路可編程數(shù)字I/O。

<5>工控機(jī)

海晟科技便攜式ARP670便攜式工控機(jī)，2路422串口，2路232串口。

<6>測(cè)試軟件

采用C#語(yǔ)言、VS2008平臺(tái)編程實(shí)現(xiàn)，軟件流程圖如圖3所示。

這里，結(jié)合數(shù)字舵系統(tǒng)性能指標(biāo)，進(jìn)行了在±1度幅值、15Hz頻率條件下的頻率響應(yīng)特性測(cè)試。測(cè)試軟件按照數(shù)字協(xié)議通過(guò)422串口向信號(hào)調(diào)理電路發(fā)送“頻率響應(yīng)特性測(cè)試”指令。信號(hào)調(diào)理電路在完成指令解析后，依照通信協(xié)議通過(guò)422串口向數(shù)字舵系統(tǒng)連續(xù)發(fā)送30個(gè)周期1度、15Hz正弦波信號(hào)，發(fā)送指令間隔為2ms；同時(shí)信號(hào)調(diào)理電路向數(shù)據(jù)采集卡的DI0引腳發(fā)送一個(gè)持續(xù)時(shí)間1ms的3.3v高電平信號(hào)即觸發(fā)信號(hào)。數(shù)據(jù)采集卡敏感DI0引腳的上升沿信號(hào)開(kāi)始進(jìn)行持續(xù)時(shí)間為2s的信號(hào)連續(xù)采集。根據(jù)測(cè)試原則，測(cè)試軟件選取后25個(gè)周期的采集數(shù)據(jù)根據(jù)傅里葉變換算法完成幅頻特性、相頻特性的計(jì)算，并將測(cè)試結(jié)果和數(shù)據(jù)波形展示。

本發(fā)明中涉及到的本領(lǐng)域公知技術(shù)未詳細(xì)闡述。