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【Servo】伺服驱动器扫频功能方案文档

news 2025/7/18 13:24:13

伺服驱动器扫频功能方案文档

一、需求背景

在现代工业自动化与精密运动控制领域，伺服系统的性能直接影响设备的速度、精度与稳定性。为有效诊断系统动态特性、识别机械共振、优化伺服参数，需引入频率响应分析（扫频/Bode分析）功能。扫频功能通过在控制回路注入激励信号，自动采集并分析系统输入输出数据，获得幅频和相频响应曲线，为性能调优、故障诊断和出厂检验提供技术依据。

二、验收标准

参数可配置：支持设置扫频起止频率、幅度、采样率、持续时间等参数。
自动数据采集与分析：扫频期间自动采集系统输入输出数据，并支持离线频率响应分析。
伯德图可视化：能够在上位机或设备界面实时或离线展示幅频、相频响应曲线。
共振点、带宽等特性自动判定：可自动识别系统带宽、谐振峰等关键性能指标。
操作友好：扫频功能可一键启动，支持流程提示与异常告警。
报告导出：支持频响分析结果与参数报告导出功能。

三、方案描述

方案采用上位机+下位机协作方式。用户在上位机设置扫频参数并发起扫频命令，驱动器（下位机）根据命令自动注入chirp（啁啾）信号或单点正弦信号，并同步采集输入与反馈信号。
扫频结束后，采集数据上传至上位机进行离线处理，包括分段FFT、FRF（频率响应函数）计算、相干性分析等，最终生成伯德图（幅频/相频曲线）。
用户可在界面交互完成参数设置、流程监控、曲线查看和结果导出，并根据分析结果优化伺服参数。

四、交互方案

参数配置界面：
- 用户在上位机界面输入扫频起始频率、终止频率、信号幅值、持续时间、注入通道等参数。
扫频启动与流程控制：
- 提供“开始扫频”“停止扫频”等一键操作按钮。
- 扫频进行时，界面显示当前频率点、进度条及实时采集状态。
数据分析与结果展示：
- 扫频完成后，界面自动弹出幅频、相频伯德图，支持曲线缩放、对比历史记录。
- 支持点击查看各关键点指标（带宽、谐振点等）。
结果保存与导出：
- 用户可将分析曲线、关键参数导出为图片或报告文件（PDF/Excel）。
异常提示：
- 扫频过程中如出现采集异常、通信失败或超限报警，界面及时弹窗提示，并记录日志。

五、实现方案

通讯协议设计：
- 定义上位机与驱动器的指令协议，实现扫频参数下发、状态查询、数据上传等功能。
信号注入与数据采集：
- 驱动器内部实现chirp/正弦信号发生器，根据设定参数注入到指定环路。
- 驱动器同步采集输入激励和系统响应数据，缓存于内部。
数据上传与缓存管理：
- 扫频完成后，按包上传采集数据，上位机自动拼包校验，保证数据完整。
离线数据分析模块：
- 上位机调用分段FFT、FRF、相干性分析等算法，得到幅频、相频曲线，并判定系统带宽、谐振点、增益/相位裕度等关键指标。
可视化与报表模块：
- 集成曲线绘图控件，实现伯德图可视化。
- 支持结果比对、图片导出、参数报告自动生成等功能。
异常处理与安全机制：
- 扫频过程中如出现异常（如电机保护、极限报警等），自动停止扫频，回滚到安全参数，并在界面弹窗告警。

设计一个典型的“伺服驱动器扫频功能”UI界面示意图

1. UI结构说明

【主界面布局分区】

┌────────────────────────────────────────────────────────┐
│                伺服驱动器扫频分析工具                  │
├───────────────┬────────────────────────────────────────┤
│【扫频参数设置】│           【扫频进度与数据监控】         │
│- 起始频率      │                                        │
│- 终止频率      │                                        │
│- 振幅          │       【实时曲线预览区】                │
│- 扫频类型      │                                        │
│- 持续时间      │                                        │
│- 注入通道      │  ┌──────────────────────────────┐    │
│- 采样率        │  │ 幅频曲线（Bode幅值图）        │    │
│               │  └──────────────────────────────┘    │
│               │  ┌──────────────────────────────┐    │
│               │  │ 相频曲线（Bode相位图）        │    │
│               │  └──────────────────────────────┘    │
│[启动扫频按钮]  │                                        │
│[停止扫频按钮]  │   【曲线工具栏/导出/历史对比】         │
├───────────────┴────────────────────────────────────────┤
│        状态栏/提示区/异常告警/结果导出（PDF/Excel）      │
└────────────────────────────────────────────────────────┘

2. 简化UI草图说明

左侧是“扫频参数设置”区，所有用户需要输入的内容都集中在这里；
中上部/右侧是“实时进度区”和“实时波形预览区”，实时展示当前扫频频率、进度条、提示；
中下部为“伯德图展示区”，分别显示幅频曲线和相频曲线，可缩放、对比；
下方为“状态栏”，显示过程提示、异常、导出按钮等。

3. 实际软件UI风格

可以参考以下设计：

【示意图1】扫频参数设置区

┌───────────────┐
│ 起始频率： [ 1   ] Hz
│ 终止频率： [ 300 ] Hz
│ 扫频幅值： [ 10  ] %
│ 持续时间： [ 5   ] s
│ 扫频类型： [ Chirp▼ ]
│ 注入通道： [ 速度环▼ ]
│ 采样率  ： [ 4000 ] Hz
│
│ [ 启动扫频 ]   [ 停止扫频 ]
└───────────────┘

【示意图2】伯德图&进度区（主显示区）

┌──────────────────────────────┐
│      扫频进度  [■■■■■■      ] 50% │
├──────────────────────────────┤
│ 幅频曲线  ──────────────▶   │
│（X轴：频率(log)，Y轴：幅值dB）    │
│                                │
│ ──(动态曲线)──────────────────│
│                                │
├──────────────────────────────┤
│ 相频曲线  ──────────────▶     │
│（X轴：频率(log)，Y轴：相位deg）  │
│ ──(动态曲线)──────────────────│
│                                │
└──────────────────────────────┘