伺服機構單元測試儀典型故障分析

梁洪濤

（海軍駐北京地區某軍事代表室，中國 北京 100076）

0 概述

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

1 伺服機構單元測試儀一般組成

伺服機構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，用來對測試儀進行自檢；控制器含放大器、電源等，提供伺服機構所需的電源及給伺服閥提供指令電流；計算機（包含數據采集器電路板、信息發生器電路板等）用來提供控制指令及數據存儲、顯示和打印。

測試時計算機發出控制指令使伺服機構開環并通過放大器給伺服閥依次提供相應指令電流。每發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反饋電位器的反饋電壓并轉換成擺角。檢測到正確擺角后停止指令電流并使伺服機構閉環，計算機采集來的數據一路轉換為前臺監視波形送屏幕顯示并保存到硬盤;另一路送后臺的高速數據緩存并進行數據計算,計算后的結果保存到硬盤。再同理依次進行后續指令測試，直至完成所有測試工作。

2 伺服機構單元測試儀的常見故障及典型故障分析

在實際應用過程中，伺服機構單元測試儀故障時有發生，及時解決測試中出現的問題故障，準確可靠的獲取產品性能數據，也是保障產品性能，及時正確交付合格產品的一項必要內容。確定測試儀故障的原因，需要根據測試中的現象，具體問題具體分析。結合前期出現過的故障及原理分析，導致測試儀測試異常出現的情況有三種模式:

a）計算機有病毒；

b）計算機測試硬件系統有故障；

c）測試軟件出現故障。

任何一個環節出現問題，測試數據就會出現異常，并對最終性能測試產生影響。下面就結合一個具體問題對典型故障處理過程作一分析。

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

由于伺服機構的速度是有限度的，雙向搖擺伺服機構的極限速度是幾十°/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。現場用另一臺測試儀測試全部4個產品，測試過程中伺服機構工作正常，測試數據也正常，數據合格，證明伺服機構是正常的，測試數據異常的原因是測試儀出現故障。

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，也沒有發現問題。因此該問題定位于計算機測試軟件系統有故障。測試方框圖如圖2所示:

圖2

相關的計算機系統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、前臺監控波形通道、后臺高速數據緩存部分組成。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。現又排除CD段程序設計出現故障的可能，所以將故障定位于2通道后臺高速數據緩存部分。對故障復現時的后臺數據分析也表明確實是2通道對應的采集器3上的數據緩存內數據混亂，導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的后臺高速數據緩存部分。

測試過程中測試儀工作原理為:測速時計算機發出控制指令使伺服機構開環并通過放大器給伺服閥依次提供-12mA～12mA的指令電流。每發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反饋電位器的反饋電壓并轉換成擺角。檢測到2°擺角后停止指令電流并使伺服機構閉環，計算機采集來的數據一路轉換為前臺監視波形送屏幕顯示并保存到硬盤;另一路送后臺環形高速數據緩存并進行數據計算,計算后的結果保存到硬盤。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據緩存中按時間順序查找伺服機構反饋電位器的輸出擺角,找到第一個大于等于0.5°(設為a1)時記下時間t1，查找到第一個大于等于1.5°(設為a2)時記下時間t2。則伺服機構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出指令電流后，伺服機構的伺服閥產生對應的開口，這時作動器就產生位移，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。采集器采集到的數據一路送前臺屏幕顯示并將數據保存到硬盤，另一路將數據送入后臺高速數據緩存，同時計算機從前臺數據中判斷反饋電位器輸出是否滿足2°條件。滿足2°條件后停止發出指令電流，同時停止向后臺高速數據緩存送數據。計算機查找a1、a2條件，計算速度值。

當后臺高速數據緩存部分出現問題時，即計算機從緩存中取到的a1、a2值不是真正的測試數據，這樣就會產生計算速度異常但屏幕數據顯示曲線正常的現象。由于每次存儲的數據只是幾十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損壞，也不能每次復現。這就是測試過程中會隨機出現故障的原因。

出現故障后，抽測第三件產品012307的速度特性，2通道速度異常。換用012308產品，仍然是2通道速度有異常。次日換用同批次其他5件產品測試26次，出現了3次異常，均出現在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，在后續產品測試中該問題未再出現，徹底解決了該問題。

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