一种双轴伺服驱动系统的频率特性检测方法与流程

1.本发明涉及伺服电机技术领域，尤其涉及一种双轴伺服驱动系统的频率特性检测方法。


背景技术：

2.无人机等飞行器上的摄像装置、通信装置等在使用时往往要指向固定方向，因此在水平面和垂直面都需要进行控制，需要一种用于飞行器的双轴伺服驱动系统。飞行器对伺服驱动系统的可靠性、安全性要求较高，普通的伺服驱动系统难以满足上述要求。
3.任何机械系统都有谐振频率，飞行器也不例外，为了减小机械谐振对伺服驱动系统隔离度指标的影响，需要设计相应频率的陷波器。目前的伺服驱动装置无法实现对机械谐振频率的自动监测，设计陷波器的过程也比较复杂，需要借用其它辅助设备实现，例如能够输出高带宽模拟信号的光纤陀螺，将光纤陀螺安装到相应的负载上，当系统谐振时监测模拟信号的频率，从而获得精确的谐振频率，再根据谐振频率设计相应的陷波器。由于无法观测到谐振点的幅值特性，因此陷波器的宽度和深度参数的设置只能采用试凑法，得到的每一个宽度和深度参数均需要验证效果，造成了伺服驱动系统的频率特性检测过程复杂且耗时。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种双轴伺服驱动系统的频率特性检测方法，用以解决现有的双轴伺服驱动系统的频率特性检测方法复杂且耗时的问题。
5.一方面，本发明实施例提供了一种双轴伺服驱动系统的频率特性检测方法，包括下述步骤：
6.获取上位机的扫频模式对应的频率、周期和幅值，并基于所述频率、周期和幅值生成正弦波驱动信号，所述正弦波驱动信号用于驱动交流电机工作；
7.获取外部传感器输出的交流电机的角速度数据；
8.将所述正弦波驱动信号及交流电机的角速度数据输出至上位机进行存储；
9.基于所述正弦波驱动信号与交流电机的角速度数据的比值得到第一频率特性曲线；
10.基于所述第一频率特性曲线获得陷波器的频率、宽度和深度；
11.基于所述陷波器的频率、宽度和深度消除第一频率特性曲线的谐振尖峰，得到第二频率特性曲线。
12.进一步，基于所述第一频率特性曲线获得陷波器的频率、宽度和深度，包括下述步骤：
13.基于所述第一频率特性曲线获得谐振点的谐振频率和谐振幅值；
14.所述陷波器的频率为谐振点的谐振频率；所述陷波器的宽度为谐振幅值的宽度；所述陷波器的深度为谐振幅值的深度。
15.进一步，所述双轴伺服驱动系统包括处理器、上电指令信号电路、防雷击电路、旋变解调模块、两个驱动器和两台交流电机；其中，
16.所述上电指令信号电路，用于接收外部控制模块输出的上电指令；
17.所述防雷击电路，用于防止驱动器被雷电击坏；
18.所述旋变解调模块，用于接收外部传感器输出的电机旋转角度，并基于所述电机旋转角度与外部控制模块输出的目标角度构成负反馈，实现对交流电机的控制；
19.一个所述驱动器连接在处理器与一台交流电机之间，构成双轴伺服驱动系统。
20.进一步，所述处理器为stm32f407处理器。
21.进一步，所述上电指令信号电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一电容；
22.所述第一电阻的一端为上电指令信号电路的输入端，所述输入端同时连接第二电阻的一端和第三电阻的一端，所述第一电阻的另一端接供电电源的正输入端，所述第二电阻的另一端接地，所述第三电阻的另一端为上电指令信号电路的输出端，所述第一电容连接在第三电阻的另一端与地之间。
23.进一步，所述双轴伺服驱动系统还包括电源转换模块，所述电源转换模块的电压输出端连接处理器的供电电源接口，用于为处理器提供供电电源。
24.进一步，所述电源转换模块为ltm4624aiy电源芯片。
25.进一步，所述防雷击电路包括第一保险丝、第二保险丝、第三保险丝、第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻；
26.所述第一保险丝与第一压敏电阻串接在交流电机的v相与w相之间，所述第二保险丝与第二压敏电阻串接在交流电机的u相与v相之间，所述第三保险丝与第三压敏电阻串接在交流电机的w相与u相之间。
27.进一步，所述第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻的阻值相等；
28.所述第一保险丝、第二保险丝和第三保险丝的电阻率相等。
29.进一步，所述旋变解调模块为ad2s1210旋变数字转换器。
30.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
31.1、一种双轴伺服驱动系统的频率特性检测方法，通过上位机调用matlab绘制得到双轴伺服驱动系统的频率特性曲线，从频率特性曲线上观测到谐振点的位置，对应得到陷波器的频率、深度和宽度，并将陷波器的频率、深度和宽度同步至双轴伺服驱动系统的处理器中，以消除双轴伺服驱动系统的第一频率特性曲线的谐振尖峰，得到平滑的频率特性曲线，使得双轴伺服驱动系统稳定运行。
32.2、通过设置上电指令信号电路使得系统在短时掉电后能够恢复正常工作，通过设置复位电路使得双轴伺服驱动系统的供电电压低于一定值时将处理器复位，通过设置防雷击电路避免了驱动器被雷电击坏的情况，保证了系统无论是在系统短时掉电，还是双轴伺服驱动系统的供电电压低于一定值时，都能可靠且稳定的正常工作，解决了现有的伺服驱动装置可靠性和稳定性较差的问题，具有较高的实用价值。
33.3、通过第一频率特性曲线观测到谐振点，并对应得到谐振点的谐振频率和谐振幅值，从而获得陷波器的相应参数，以消除第一频率特性曲线中的谐振尖峰，方法简单，易于实施，提高了系统频率特性的检测效率。
34.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本
发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
35.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
36.图1为一个实施例中双轴伺服驱动系统的频率特性检测方法流程图；
37.图2为一个实施例中第一频率特性曲线；
38.图3为一个实施例中飞行器的双轴伺服驱动系统结构示意图；
39.图4为一个实施例中上电指令信号电路结构示意图；
40.图5为一个实施例中复位电路结构示意图；
41.图6为一个实施例中防雷击电路结构示意图；
42.附图标记：
43.100-处理器，200-上电指令信号电路，300-复位电路，400-防雷击电路，500-旋变解调模块，600-驱动器，700-交流电机，800-光耦，900-电源转换模块，1000-rs422串口电路。
具体实施方式
44.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
45.现有的双轴伺服驱动系统的频率特性检测方法基于光纤陀螺实现，具体是将其安装到相应的负载上，当系统谐振时监测模拟信号的频率，从而获得精确谐振频率，再根据此频率设计相应的陷波器。由于无法观测到谐振点的幅值特性，因此陷波器的宽度和深度参数设置只能采用试凑法，得到的每一个参数均需要验证效果，造成频率特性检测过程复杂且耗时。为此，本技术提出了一种双轴伺服驱动系统的频率特性检测方法，通过上位机调用matlab绘制得到双轴伺服驱动系统的频率特性曲线，从频率特性曲线上观测到谐振点，进而得到谐振点的谐振频率和谐振幅值，可根据谐振点的谐振频率和谐振幅值设置陷波器的频率、深度和宽度，以消除双轴伺服驱动系统的频率特性曲线的谐振尖峰，得到平滑的频率特性曲线，使得双轴伺服驱动系统稳定运行。
46.本发明的一个具体实施例，公开了一种双轴伺服驱动系统的频率特性检测方法，如图1所示。频率特性检测方法包括下述步骤步骤s1～s6。
47.步骤s1、获取上位机的扫频模式对应的频率、周期和幅值，并基于频率、周期和幅值生成正弦波驱动信号，正弦波驱动信号用于驱动交流电机工作。具体来说，双轴伺服驱动系统上电后，通过上位机界面设置扫频模式，具体是根据飞行器伺服系统的机械谐振频率特性设置扫频的起始频率和停止频率，飞行器伺服系统的机械谐振频率为3hz～500hz，同时，需要设置扫频的幅值，幅值通常设置为驱动器输出最大电压的四分之一的电压值。在上位机设置扫频模式后，双轴伺服驱动系统能够获取上位机的扫频模式对应的频率、周期和幅值，并基于sin()函数生成正弦波驱动信号，该正弦波驱动信号通过驱动器输出至交流
电机以驱动交流电机工作。
48.步骤s2、获取外部传感器输出的交流电机的角速度数据。具体来说，交流电机根据驱动器输出的正弦波驱动信号正常工作后，外部传感器能够实时采集交流电机的角速度数据，并将交流电机的角速度数据输出至双轴伺服驱动系统。其中，这里的外部传感器可以是陀螺传感器。
49.步骤s3、将正弦波驱动信号及交流电机的角速度数据输出至上位机进行存储。具体来说，双轴伺服驱动系统接收到外部传感器输出的交流电机的角速度数据后，将正弦波驱动信号及交流电机的角速度数据输出至上位机进行存储。当系统出现掉电、复位或者其他情况时，系统依然能够按照之前的模式进行工作。
50.步骤s4、基于正弦波驱动信号与交流电机的角速度数据的比值得到第一频率特性曲线。具体来说，上位机存储正弦波驱动信号及交流电机的角速度数据后，上位机调用matlab，matlab根据正弦波驱动信号与交流电机的角速度数据的比值绘制得到第一频率特性曲线。但是第一频率特性曲线中存在谐振尖峰，需要设置相应参数的陷波器对其进行消除，以提高双轴伺服驱动系统的稳定性，使其稳定的运行。
51.步骤s5、基于第一频率特性曲线获得陷波器的频率、宽度和深度。具体来说，基于第一频率特性曲线获得陷波器的频率、宽度和深度，包括下述步骤：
52.基于第一频率特性曲线获得谐振点的谐振频率和谐振幅值；
53.陷波器的频率为谐振点的谐振频率；陷波器的宽度为谐振幅值的宽度；陷波器的深度为谐振幅值的深度。
54.详细地，如图2所示的第一频率特性曲线，可以得到系统的谐振点a，谐振点a对应的谐振频率为133.3hz，谐振幅值为2.015db，同时，谐振幅值的宽度为bc，深度为ad，则可以对应得到陷波器的频率为133.3hz，宽度为bc，深度为ad。
55.通过第一频率特性曲线观测到谐振点，并对应得到谐振点的谐振频率和谐振幅值，从而获得陷波器的相应参数，以消除第一频率特性曲线中的谐振尖峰，方法简单，易于实施，提高了系统频率特性的检测效率。
56.步骤s6、基于陷波器的频率、宽度和深度消除第一频率特性曲线的谐振尖峰，得到第二频率特性曲线。具体来说，基于步骤s5得到陷波器的频率、宽度和深度后，可将陷波器的频率、宽度和深度同步至双轴伺服驱动系统的处理器中，以消除双轴伺服驱动系统的第一频率特性曲线的谐振尖峰，最终得到平滑的第二频率特性曲线。
57.与现有技术相比，本实施例提供的一种双轴伺服驱动系统的频率特性检测方法，通过上位机调用matlab绘制得到双轴伺服驱动系统的频率特性曲线，从频率特性曲线上观测到谐振点的位置，对应得到陷波器的频率、深度和宽度，并将陷波器的频率、深度和宽度同步至双轴伺服驱动系统的处理器中，以消除双轴伺服驱动系统的第一频率特性曲线的谐振尖峰，得到平滑的频率特性曲线，使得双轴伺服驱动系统稳定运行。
58.优选地，如图3所示，双轴伺服驱动系统包括处理器100、上电指令信号电路200、复位电路300、防雷击电路400、旋变解调模块500、两个驱动器600和两台交流电机700。
59.上电指令信号电路200，用于接收外部控制模块输出的上电指令；复位电路300，用于在双轴伺服驱动系统的供电电压低于一定值时将其复位；防雷击电路400，用于防止驱动器被雷电击坏；旋变解调模块500，用于接收外部传感器输出的电机旋转角度，并基于电机
旋转角度与外部控制模块输出的目标角度构成负反馈，实现对交流电机的控制。同时，一个驱动器600连接在处理器100与一台交流电机700之间，构成双轴伺服驱动系统。本技术中的外部控制模块可以为综控机。
60.具体来说，本技术还包括rs422串口电路1000，rs422串口电路可以接收外部综控机输出的目标指令；还可以接收外部陀螺传感器输出的角速度数据，并基于该角速度数据和目标指令之间的差值实现对交流电机的校准。rs422串口电路还可以与外部上位机连接，用于双轴伺服驱动系统的谐振频率检测和调试。
61.实施时，在控制器和驱动器之间还串接有光耦800，以实现对伺服系统内部传输信号的隔离和保护作用。同时，本技术中的处理器100为stm32f407处理器；驱动器600为msk4300驱动芯片；旋变解调模块500为ad2s1210旋变数字转换器。处理器中集成了交流电机控制算法，控制算法原理如公式1所示，基于交流电机控制算法可以得到交流电机的三相电流，从而实现对交流电机的控制。由于msk4300驱动芯片也能驱动直流有刷力矩电机，因此本技术可以同时实现对交、直流电机的控制和驱动，提高了双轴伺服驱动系统的通用性。
[0062][0063]
式中，uu、uv、uw为交流电机的三相电压值，u
dc
为驱动器的供电电压，α为输入指令与外部传感器输出的角速度之间的差值，θ为交流电机的电角度。
[0064]
通过设置上电指令信号电路使得系统在短时掉电后能够恢复正常工作，通过设置复位电路使得双轴伺服驱动系统的供电电压低于一定值时将处理器复位，通过设置防雷击电路避免了驱动器被雷电击坏的情况，保证了系统无论是在系统短时掉电，还是双轴伺服驱动系统的供电电压低于一定值时，都能可靠且稳定的正常工作，解决了现有的伺服驱动装置可靠性和稳定性较差的问题，具有较高的实用价值。
[0065]
优选地，如图4所示，上电指令信号电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一电容；
[0066]
第一电阻的一端为上电指令信号电路的输入端，输入端同时连接第二电阻的一端和第三电阻的一端，第一电阻的另一端接供电电源的正输入端，第二电阻的另一端接地，第三电阻的另一端为上电指令信号电路的输出端，第一电容连接在第三电阻的另一端与地之间。
[0067]
具体来说，当上电指令为低电平使能时，则第一电阻工作，当上电指令为高电平使能时，则第二电阻工作。其次，还增加了一个rc滤波电路，根据系统的实际干扰噪声频率选择恰当的阻容值，从而消除实际干扰噪声对上电指令信号的干扰，提高了双轴伺服驱动系统的可靠性，避免了因上电指令受干扰而造成装置误判导致的双轴伺服驱动系统的误断电，提高了系统的稳定性。
[0068]
优选地，双轴伺服驱动系统还包括电源转换模块900，电源转换模块的电压输出端连接处理器的供电电源接口，用于为处理器提供供电电源。电源转换模块为ltm4624aiy电
源芯片。具体来说，电源转换模块能够将外部综控机提供的12v或5v直流电压转换为3.3v直流电压，为双轴伺服驱动系统的处理器供电。
[0069]
考虑到伺服驱动系统的供电电压低于一定值时，此时伺服驱动系统不能正常工作。为此，本技术提出了复位电路，当伺服驱动系统的供电电压低于一定值时，将处理器复位将其复位，以实现伺服驱动系统的正常工作。
[0070]
优选地，如图5所示，双轴伺服驱动系统还包括复位电路，复位电路包括复位二极管和第二电容；其中，复位二极管的阴极连接ltm4624aiy电源芯片的pgood接口，复位二极管的阳极同时连接处理器的复位接口和第二电容的一端，第二电容的另一端接地。
[0071]
具体来说，复位电路的工作原理是：当外部供电正常时，此时二极管不导通，处理器可以正常复位。当外部供电电源出现掉电至0.8v～1.8v时二极管处于导通状态，相当于复位信号接地，芯片一直处于复位状态，当电压恢复正常后二极管不导通，处理器可以正常启动，即保证当外部供电电压恢复正常后处理器也能恢复正常工作。通过复位电路，使得在外部供电电源掉电的情况下，伺服驱动系统能够可靠稳定的工作，提高了系统的可靠性。
[0072]
优选地，如图6所示，防雷击电路包括第一保险丝、第二保险丝、第三保险丝、第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻；第一保险丝与第一压敏电阻串接在交流电机的v相与w相之间，所述第二保险丝与第二压敏电阻串接在交流电机的u相与v相之间，所述第三保险丝与第三压敏电阻串接在交流电机的w相与u相之间。其中，第一压敏电阻、第二压敏电阻和第三压敏电阻的阻值相等；第一保险丝、第二保险丝和第三保险丝的电阻率相等。
[0073]
具体来说，通过在三根交流电机引出线的两两之间串接压敏电阻和保险丝，当遭遇雷击时，在交流电机引出线上感应的大电压会从压敏电阻和保险丝的通路流出，从而避免大电压信号灌入驱动器造成驱动器内部mos管的损伤。其中，保险丝的作用是：当大电压长时间流过压敏电阻造成其击穿短路时，保险丝断开，对压敏电阻起到保护作用。压敏电阻的额定电压的选择需要根据相应的驱动器mos管能够承受的最大电压值确定，保险丝的选取要根据驱动器最大输出电流值确定。同时，防雷击电路中的三个电阻的阻值相等，三个保险丝的电阻率也相等。
[0074]
通过防雷击电路，避免了大电压信号灌入驱动器造成驱动器内部mos管的损伤，提高了伺服驱动系统的稳定性。
[0075]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。