伺服机构单元测试仪典型故障分析

梁洪涛

（海军驻北京地区某军事代表室，中国 北京 100076）

0 概述

伺服机构(servomechanism)是指经由闭回路控制方式达到一个机械系统位置、速度或加速度控制的系统。在导弹武器系统中伺服机构作为控制系统的执行机构，是控制系统工作的重要组成部分,决定着导弹飞行的成败。为测试伺服系统的性能，验证单机的正确性，实际科研和生产过程中常采用伺服机构单元测试仪对伺服机构进行基本性能测试，测试仪与产品性能有着直接的联系，科研、生产过程中减少故障、及时解决设备问题对产品测试和生产交付有着很重要的作用。

1 伺服机构单元测试仪一般组成

伺服机构单元测试仪组成框图如图1所示:

图1

其中仿真器用单片机模拟伺服机构，用来对测试仪进行自检；控制器含放大器、电源等，提供伺服机构所需的电源及给伺服阀提供指令电流；计算机（包含数据采集器电路板、信息发生器电路板等）用来提供控制指令及数据存储、显示和打印。

测试时计算机发出控制指令使伺服机构开环并通过放大器给伺服阀依次提供相应指令电流。每发出一个正指令电流后计算机以固定的采样速率采集伺服机构反馈电位器的反馈电压并转换成摆角。检测到正确摆角后停止指令电流并使伺服机构闭环，计算机采集来的数据一路转换为前台监视波形送屏幕显示并保存到硬盘;另一路送后台的高速数据缓存并进行数据计算,计算后的结果保存到硬盘。再同理依次进行后续指令测试，直至完成所有测试工作。

2 伺服机构单元测试仪的常见故障及典型故障分析

在实际应用过程中，伺服机构单元测试仪故障时有发生，及时解决测试中出现的问题故障，准确可靠的获取产品性能数据，也是保障产品性能，及时正确交付合格产品的一项必要内容。确定测试仪故障的原因，需要根据测试中的现象，具体问题具体分析。结合前期出现过的故障及原理分析，导致测试仪测试异常出现的情况有三种模式:

a）计算机有病毒；

b）计算机测试硬件系统有故障；

c）测试软件出现故障。

任何一个环节出现问题，测试数据就会出现异常，并对最终性能测试产生影响。下面就结合一个具体问题对典型故障处理过程作一分析。

在利用某伺服机构单元测试仪(以下简称测试仪)对双向摇摆伺服机构进行单元测试时,前两个产品012305、012306测试过程中工作正常，测试仪工作正常，数据合格。当测试到第三件产品012307时，打印数据显示伺服机构的伺服作动通道的速度异常，测试出的速度数值为0～1401°/s。012307测试过程中伺服机构电机声音正常，活塞运动正常，无任何异常现象。测试仪测试顺序正确，测试中屏幕显示曲线正常。

由于伺服机构的速度是有限度的，双向摇摆伺服机构的极限速度是几十°/s，不可能达到几百甚至上千°/s，测试过程中伺服机构本身未显示有任何异常，且屏幕显示曲线正常，说明问题出在测试仪上。现场用另一台测试仪测试全部4个产品，测试过程中伺服机构工作正常，测试数据也正常，数据合格，证明伺服机构是正常的，测试数据异常的原因是测试仪出现故障。

对测试用的计算机进行病毒查找，未找到病毒。将对该软件进行工程化测试的测试软件进行程序走查，也没有发现问题。因此该问题定位于计算机测试软件系统有故障。测试方框图如图2所示:

图2

相关的计算机系统的硬件由以下几部分组成:1块信号源电路板、3块采集器电路板（为采集器1、2、3）、1块伺服放大器电路板。其中采集器电路板包括A/D保持采样部分、前台监控波形通道、后台高速数据缓存部分组成。每个采集器有4路采集通道，4路采集通道共用一个缓存。

分析测试方框图可知，由于OA、OF、OE段均正确，则问题出在BC、CD段。现又排除CD段程序设计出现故障的可能，所以将故障定位于2通道后台高速数据缓存部分。对故障复现时的后台数据分析也表明确实是2通道对应的采集器3上的数据缓存内数据混乱，导致四条曲线明显异常。由分析试验可以确定问题出在采集器3的后台高速数据缓存部分。

测试过程中测试仪工作原理为:测速时计算机发出控制指令使伺服机构开环并通过放大器给伺服阀依次提供-12mA～12mA的指令电流。每发出一个正指令电流后计算机以1kps的采样速率采集伺服机构反馈电位器的反馈电压并转换成摆角。检测到2°摆角后停止指令电流并使伺服机构闭环，计算机采集来的数据一路转换为前台监视波形送屏幕显示并保存到硬盘;另一路送后台环形高速数据缓存并进行数据计算,计算后的结果保存到硬盘。计算好后再进行下一个指令电流速度特性测试。计算方法是从后台高速数据缓存中按时间顺序查找伺服机构反馈电位器的输出摆角,找到第一个大于等于0.5°(设为a1)时记下时间t1，查找到第一个大于等于1.5°(设为a2)时记下时间t2。则伺服机构在该电流下的速度为(a2-a1)/(t2-t1)。如果先找到a2，则速度为0。测试负向电流时测速原理同上。

测试过程中放大器发出指令电流后，伺服机构的伺服阀产生对应的开口，这时作动器就产生位移，带动反馈电位器输出与位移成正比的输出电压。该输出电压送入采集器。采集器采集到的数据一路送前台屏幕显示并将数据保存到硬盘，另一路将数据送入后台高速数据缓存，同时计算机从前台数据中判断反馈电位器输出是否满足2°条件。满足2°条件后停止发出指令电流，同时停止向后台高速数据缓存送数据。计算机查找a1、a2条件，计算速度值。

当后台高速数据缓存部分出现问题时，即计算机从缓存中取到的a1、a2值不是真正的测试数据，这样就会产生计算速度异常但屏幕数据显示曲线正常的现象。由于每次存储的数据只是几十K，其在几百M缓存中的位置是随机的，即使缓存中有固定的字节损坏，也不能每次复现。这就是测试过程中会随机出现故障的原因。

出现故障后，抽测第三件产品012307的速度特性，2通道速度异常。换用012308产品，仍然是2通道速度有异常。次日换用同批次其他5件产品测试26次，出现了3次异常，均出现在2通道。也验证了问题定位的准确性。

针对此故障将伺服机构测试仪2通道使用的采集器3更换成了其它原理类似测试仪中的采集器，在后续产品测试中该问题未再出现，彻底解决了该问题。

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