伺服機構(gòu)單元測試儀典型故障分析

梁洪濤

（海軍駐北京地區(qū)某軍事代表室，中國 北京 100076）

0 概述

伺服機構(gòu)(servomechanism)是指經(jīng)由閉回路控制方式達到一個機械系統(tǒng)位置、速度或加速度控制的系統(tǒng)。在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中伺服機構(gòu)作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，是控制系統(tǒng)工作的重要組成部分,決定著導(dǎo)彈飛行的成敗。為測試伺服系統(tǒng)的性能，驗證單機的正確性，實際科研和生產(chǎn)過程中常采用伺服機構(gòu)單元測試儀對伺服機構(gòu)進行基本性能測試，測試儀與產(chǎn)品性能有著直接的聯(lián)系，科研、生產(chǎn)過程中減少故障、及時解決設(shè)備問題對產(chǎn)品測試和生產(chǎn)交付有著很重要的作用。

1 伺服機構(gòu)單元測試儀一般組成

伺服機構(gòu)單元測試儀組成框圖如圖1所示:

圖1

其中仿真器用單片機模擬伺服機構(gòu)，用來對測試儀進行自檢；控制器含放大器、電源等，提供伺服機構(gòu)所需的電源及給伺服閥提供指令電流；計算機（包含數(shù)據(jù)采集器電路板、信息發(fā)生器電路板等）用來提供控制指令及數(shù)據(jù)存儲、顯示和打印。

測試時計算機發(fā)出控制指令使伺服機構(gòu)開環(huán)并通過放大器給伺服閥依次提供相應(yīng)指令電流。每發(fā)出一個正指令電流后計算機以固定的采樣速率采集伺服機構(gòu)反饋電位器的反饋電壓并轉(zhuǎn)換成擺角。檢測到正確擺角后停止指令電流并使伺服機構(gòu)閉環(huán)，計算機采集來的數(shù)據(jù)一路轉(zhuǎn)換為前臺監(jiān)視波形送屏幕顯示并保存到硬盤;另一路送后臺的高速數(shù)據(jù)緩存并進行數(shù)據(jù)計算,計算后的結(jié)果保存到硬盤。再同理依次進行后續(xù)指令測試，直至完成所有測試工作。

2 伺服機構(gòu)單元測試儀的常見故障及典型故障分析

在實際應(yīng)用過程中，伺服機構(gòu)單元測試儀故障時有發(fā)生，及時解決測試中出現(xiàn)的問題故障，準確可靠的獲取產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)，也是保障產(chǎn)品性能，及時正確交付合格產(chǎn)品的一項必要內(nèi)容。確定測試儀故障的原因，需要根據(jù)測試中的現(xiàn)象，具體問題具體分析。結(jié)合前期出現(xiàn)過的故障及原理分析，導(dǎo)致測試儀測試異常出現(xiàn)的情況有三種模式:

a）計算機有病毒；

b）計算機測試硬件系統(tǒng)有故障；

c）測試軟件出現(xiàn)故障。

任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，測試數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)異常，并對最終性能測試產(chǎn)生影響。下面就結(jié)合一個具體問題對典型故障處理過程作一分析。

在利用某伺服機構(gòu)單元測試儀(以下簡稱測試儀)對雙向搖擺伺服機構(gòu)進行單元測試時,前兩個產(chǎn)品012305、012306測試過程中工作正常，測試儀工作正常，數(shù)據(jù)合格。當測試到第三件產(chǎn)品012307時，打印數(shù)據(jù)顯示伺服機構(gòu)的伺服作動通道的速度異常，測試出的速度數(shù)值為0～1401°/s。012307測試過程中伺服機構(gòu)電機聲音正常，活塞運動正常，無任何異?，F(xiàn)象。測試儀測試順序正確，測試中屏幕顯示曲線正常。

由于伺服機構(gòu)的速度是有限度的，雙向搖擺伺服機構(gòu)的極限速度是幾十°/s，不可能達到幾百甚至上千°/s，測試過程中伺服機構(gòu)本身未顯示有任何異常，且屏幕顯示曲線正常，說明問題出在測試儀上。現(xiàn)場用另一臺測試儀測試全部4個產(chǎn)品，測試過程中伺服機構(gòu)工作正常，測試數(shù)據(jù)也正常，數(shù)據(jù)合格，證明伺服機構(gòu)是正常的，測試數(shù)據(jù)異常的原因是測試儀出現(xiàn)故障。

對測試用的計算機進行病毒查找，未找到病毒。將對該軟件進行工程化測試的測試軟件進行程序走查，也沒有發(fā)現(xiàn)問題。因此該問題定位于計算機測試軟件系統(tǒng)有故障。測試方框圖如圖2所示:

圖2

相關(guān)的計算機系統(tǒng)的硬件由以下幾部分組成:1塊信號源電路板、3塊采集器電路板（為采集器1、2、3）、1塊伺服放大器電路板。其中采集器電路板包括A/D保持采樣部分、前臺監(jiān)控波形通道、后臺高速數(shù)據(jù)緩存部分組成。每個采集器有4路采集通道，4路采集通道共用一個緩存。

分析測試方框圖可知，由于OA、OF、OE段均正確，則問題出在BC、CD段。現(xiàn)又排除CD段程序設(shè)計出現(xiàn)故障的可能，所以將故障定位于2通道后臺高速數(shù)據(jù)緩存部分。對故障復(fù)現(xiàn)時的后臺數(shù)據(jù)分析也表明確實是2通道對應(yīng)的采集器3上的數(shù)據(jù)緩存內(nèi)數(shù)據(jù)混亂，導(dǎo)致四條曲線明顯異常。由分析試驗可以確定問題出在采集器3的后臺高速數(shù)據(jù)緩存部分。

測試過程中測試儀工作原理為:測速時計算機發(fā)出控制指令使伺服機構(gòu)開環(huán)并通過放大器給伺服閥依次提供-12mA～12mA的指令電流。每發(fā)出一個正指令電流后計算機以1kps的采樣速率采集伺服機構(gòu)反饋電位器的反饋電壓并轉(zhuǎn)換成擺角。檢測到2°擺角后停止指令電流并使伺服機構(gòu)閉環(huán)，計算機采集來的數(shù)據(jù)一路轉(zhuǎn)換為前臺監(jiān)視波形送屏幕顯示并保存到硬盤;另一路送后臺環(huán)形高速數(shù)據(jù)緩存并進行數(shù)據(jù)計算,計算后的結(jié)果保存到硬盤。計算好后再進行下一個指令電流速度特性測試。計算方法是從后臺高速數(shù)據(jù)緩存中按時間順序查找伺服機構(gòu)反饋電位器的輸出擺角,找到第一個大于等于0.5°(設(shè)為a1)時記下時間t1，查找到第一個大于等于1.5°(設(shè)為a2)時記下時間t2。則伺服機構(gòu)在該電流下的速度為(a2-a1)/(t2-t1)。如果先找到a2，則速度為0。測試負向電流時測速原理同上。

測試過程中放大器發(fā)出指令電流后，伺服機構(gòu)的伺服閥產(chǎn)生對應(yīng)的開口，這時作動器就產(chǎn)生位移，帶動反饋電位器輸出與位移成正比的輸出電壓。該輸出電壓送入采集器。采集器采集到的數(shù)據(jù)一路送前臺屏幕顯示并將數(shù)據(jù)保存到硬盤，另一路將數(shù)據(jù)送入后臺高速數(shù)據(jù)緩存，同時計算機從前臺數(shù)據(jù)中判斷反饋電位器輸出是否滿足2°條件。滿足2°條件后停止發(fā)出指令電流，同時停止向后臺高速數(shù)據(jù)緩存送數(shù)據(jù)。計算機查找a1、a2條件，計算速度值。

當后臺高速數(shù)據(jù)緩存部分出現(xiàn)問題時，即計算機從緩存中取到的a1、a2值不是真正的測試數(shù)據(jù)，這樣就會產(chǎn)生計算速度異常但屏幕數(shù)據(jù)顯示曲線正常的現(xiàn)象。由于每次存儲的數(shù)據(jù)只是幾十K，其在幾百M緩存中的位置是隨機的，即使緩存中有固定的字節(jié)損壞，也不能每次復(fù)現(xiàn)。這就是測試過程中會隨機出現(xiàn)故障的原因。

出現(xiàn)故障后，抽測第三件產(chǎn)品012307的速度特性，2通道速度異常。換用012308產(chǎn)品，仍然是2通道速度有異常。次日換用同批次其他5件產(chǎn)品測試26次，出現(xiàn)了3次異常，均出現(xiàn)在2通道。也驗證了問題定位的準確性。

針對此故障將伺服機構(gòu)測試儀2通道使用的采集器3更換成了其它原理類似測試儀中的采集器，在后續(xù)產(chǎn)品測試中該問題未再出現(xiàn)，徹底解決了該問題。

［1］張志成,張合新.基于PXI總線的導(dǎo)彈伺服機構(gòu)測試系統(tǒng)[J].計算機測量與控制，2006，14(12):1657-1659.

［2］周軒.伺服機構(gòu)測控系統(tǒng)軟件容錯技術(shù)[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈控制技術(shù),2011，28(1):25-29.

［3］黃岳，馬震，劉丙杰.基于滑模變結(jié)構(gòu)的導(dǎo)彈伺服機構(gòu)故障診斷[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011，28(11):94-101.