一种硬件在环仿真装置和硬件在环仿真方法，所述硬件在环仿真装置与驱动装置相连，用于对包括电机以及与电机相连的机械装置及传动系统进行硬件在环仿真，包括根据驱动装置的驱动信号、电机模型以及电机运动轴模型，通过运动模拟单元，获得运动信号以及对应的传感器测量数据；根据所述传感器测量数据，通过输出单元模拟传感器的输出信号，并将所述模拟的输出信号反馈至驱动装置。本发明硬件在环仿真装置和方法实施方式能适应不同类型传感器信号模拟，能方便地仿真出使用编码器或干涉仪等数字传感器作为反馈装置的运动控制系统。
1.一种硬件在环仿真装置，与驱动装置相连接，用于对包括电机以及与电机相连的机械装置的传动系统进行硬件在环仿真，其特征在于，包括：运动模拟单元，用于根据数字输入信号、电机模型以及描述所述机械装置各运动轴的电机运动轴模型，获得对应的运动信号，以及根据所述运动信号获得传感器测量数据，并将所述传感器测量数据输出至输出单元；
输入单元，用于接收来自所述驱动装置的驱动信号，根据所述驱动信号，获得用于输入所述运动模拟单元的数字输入信号；所述输入单元通过光纤与所述运动模拟单元相连接，并通过电气连接线与所述驱动装置相连接；
输出单元，接收来自运动模拟单元的传感器测量数据，根据所述电机模型，进行仿真，并将仿真结果反馈至所述驱动装置；所述输出单元通过光纤与所述运动模拟单元相连接，并通过电气连接线与所述驱动装置相连接；
其中，所述运动模拟单元包括：驱动计算单元，用于接收来自所述输入单元的数字输入信号，根据电机模型，计算当电机接收所述数字输入信号时所产生的输出力；运动信号计算单元，用于计算在电机的所述输出力的作用下，相连接的机械装置各运动轴对应产生的运动信号；传感器信号计算单元，用于根据所述运动信号和所述电机的传感器模型，计算出对应的传感器测量数据。
2.如权利要求1所述的硬件在环仿真装置，其特征在于，所述输入单元为模数转换器。
3.如权利要求1所述的硬件在环仿真装置，其特征在于，所述传感器为旋转编码器或光栅尺编码器。
4.如权利要求3所述的硬件在环仿真装置，其特征在于，所述输出单元包括传感器模型仿真器。
5.如权利要求1所述的硬件在环仿真装置，其特征在于，所述输出单元包括：周期计算单元，用于根据所述运动模拟单元所获得的传感器测量数据以及传感器模型，以传感器采样周期与所述传感器测量数据的比值作为信号周期并输出所述信号周期；
波形产生单元，用于根据所述周期计算单元所获得的信号周期，产生仿真信号；
分频输出单元，用于对所述波形产生单元所获得的仿真信号进行分频，并将分频的仿真信号输出至所述驱动装置。
6.如权利要求5所述的硬件在环仿真装置，其特征在于，当所述电机的传感器为模拟传感器时，所述运动模拟单元包括：驱动计算单元，用于接收来自所述输入单元的数字输入信号，根据电机模型，计算当电机接收所述数字输入信号时所产生的输出力；
运动信号计算单元，用于计算在电机的所述输出力的作用下，相连接的机械装置各运动轴对应产生的运动信号；
传感器信号单元，用于根据所述运动信号和所述电机的传感器模型，计算出对应的传感器仿真信号的比特值。
7.如权利要求6所述的硬件在环仿真装置，其特征在于，所述周期计算单元为除法器。
8.如权利要求7所述的硬件在环仿真装置，其特征在于，所述波形产生单元为信号发生器。
9.如权利要求8所述的硬件在环仿真装置，其特征在于，所述传感器为温度传感器。
10.如权利要求9所述的硬件在环仿真装置，其特征在于，所述输出单元包括传感器模型仿真器。
11.如权利要求8所述的硬件在环仿真装置，其特征在于，所述输出单元包括：数模转换单元，用于将所述传感器仿真信号的比特值转换为模拟信号并输出。
12.如权利要求1或8所述的硬件在环仿真装置，其特征在于，所述输出单元还包括后续处理单元，用于对所述仿真信号进行后续处理，并输出至所述驱动装置。
13.如权利要求12所述的硬件在环仿真装置，其特征在于，所述后续处理包括分频、滤波、放大中的一种或多种处理方式。
14.如权利要求1所述的硬件在环仿真装置，其特征在于，所述输入单元和所述输出单元构成接口单元。
15.如权利要求14所述的硬件在环仿真装置，其特征在于，所述硬件在环仿真装置包括多个接口单元和多个运动模拟单元，接口单元与对应的驱动单元通过电气线路进行连接，其中，每个接口单元与对应的运动模拟单元通过光纤进行连接，各运动模拟单元通过同步数据总线或光纤进行连接。
16.一种硬件在环仿真方法，用于对包括电机以及与电机相连的机械装置的传动系统进行硬件在环仿真，包括：根据驱动信号，计算出电机的数字输入信号；
根据所述数字输入信号、电机模型以及描述所述机械装置各运动轴的电机运动轴模型，获得运动信号，以及对应的传感器测量数据；
根据所述传感器测量数据进行仿真，获得仿真结果并输出至驱动装置；
其中，所述根据数字输入信号、电机模型以及电机运动轴模型，获得运动信号以及对应的传感器测量数据包括：根据所述数字输入信号以及所述电机模型，计算当所述电机接收到所述数字输入信号时所产生的输出力；根据电机运动轴模型，计算机械装置各运动轴在所述输出力的作用下所产生的运动信号；根据所获得的运动信号以及电机的传感器模型，获得对应的传感器测量数据。
17.如权利要求16所述的硬件在环仿真方法，其特征在于，所述电机模型用于描述电机所输出的信号随所接收到的驱动信号的变化而变化的对应关系；所述电机运动轴模型用于描述机械装置各运动轴所产生的运动信号随所接收到来自电机的输出信号的变化而变化的对应关系。
18.如权利要求16所述的硬件在环仿真方法，其特征在于，所述驱动信号为用于驱动电机的驱动电压。
19.如权利要求18所述的硬件在环仿真方法，其特征在于，所述根据驱动信号，计算出电机的数字输入信号，包括：对数字功率放大器进行反向建模，根据该模型，对所述驱动信号进行模数转换，获得当所述数字功率放大器输出所述驱动电压时，其所接收的对应的数字输入信号。
20.如权利要求18所述的硬件在环仿真方法，其特征在于，当所述驱动电压在-10伏至
10伏之间变化时，所对应的数字输入信号在0x000000至0xFFFFFF之间变化。
21.如权利要求16所述的硬件在环仿真方法，其特征在于，所述运动信号包括当机械装置各运动轴接收到所述输出力时，产生的运动轴位移、或运动速度。
22.如权利要求21所述的硬件在环仿真方法，其特征在于，采用相位差绝对值为90°的AB相正交信号作为仿真信号。
23.如权利要求22所述的硬件在环仿真方法，其特征在于，所述硬件在环仿真方法还包括：建立电机运动轴模型以及建立电机模型。
24.如权利要求23所述的硬件在环仿真方法，其特征在于，所述传感器测量数据用于表示每个传感器采样周期中所包含的仿真信号的周期数。
25.如权利要求24所述的硬件在环仿真方法，其特征在于，所述根据所获得的运动信号以及电机的传感器模型，获得对应的传感器测量数据包括：以所述运动轴位移与编码器最小分辨位移的比值为所述传感器测量数据。
26.如权利要求25所述的硬件在环仿真方法，其特征在于，当所述运动轴位移不为编码器最小分辨位移的整数倍时，采用四舍五入的方式获得所述传感器测量数据。
27.如权利要求21所述的硬件在环仿真方法，其特征在于，所述根据传感器测量数据进行仿真，获得仿真结果并输出至驱动装置包括：根据所述传感器测量数据，获得仿真信号的周期值；
28.如权利要求27所述的硬件在环仿真方法，其特征在于，所述仿真信号的周期值为所述传感器采样周期与所述传感器测量数据的比值。
29.如权利要求16所述的硬件在环仿真方法，其特征在于，所述根据数字输入信号、电机模型以及电机运动轴模型，获得运动信号以及对应的传感器测量数据包括：根据所述数字输入信号以及所述电机模型，计算当所述电机接收到所述数字输入信号时所产生的输出力；
根据电机运动轴模型，计算机械装置各运动轴在所述输出力的作用下所产生的运动信号；
根据所获得的运动信号以及电机的传感器模型，获得对应的传感器测量数据。
30.如权利要求28所述的硬件在环仿真方法，其特征在于，所述根据传感器测量数据进行仿真，获得仿真结果并输出至驱动装置包括：对仿真信号的比特值进行数模转换，获得模拟信号并输出。
硬件在环仿真装置和硬件在环仿真方法
技术领域
[0001] 本发明涉及仿真技术，特别是运动控制的硬件在环仿真装置和方法。
背景技术
[0002] 仿真(simulation)是一种利用模型对实际系统的工作过程进行重现，并通过对系统模型的实验来研究该实际系统的技术。当所研究的实际系统造价昂贵、或实验的危险性大、或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种行之有效的研究手段。
[0003] 仿真技术广泛应用于各种领域和产品，以机电产品为例：机电产品中具有各种机械传动装置，其工作过程主要包括通过电机接收来自驱动装置的驱动信号，并通过电机中的传感器将所收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度，以及输出这些运动信号。为了提高机械部件按照预期的轨迹和规定运动参数完成相应动作的准确性和精度，通常采用运动控制系统通过对电机的运动信号进行实时的控制管理。目前的运动控制系统，按机械运动的轨迹，可分为点位、直线、轮廓控制等类型；按电机的类型，可分为开环、闭环和半闭环伺服系统。
[0004] 在对运动控制系统进行设计和开发的过程中，常通过选择合适的仿真模型，对电机的运动和相关的信号进行模拟，以较低的代价进行大量反复的试验，以及获得足够数量和质量的分析数据，为设计或测试提供帮助。具体来说，以仿真系统取代实际的电机，接收由驱动装置所输出的驱动信号，以及模拟电机做出反应，并将所得到的运动信号反馈至驱动装置，从而检验该电机以及对该电机的运动控制是否符合要求。
[0005] 在现实环境中，运动控制系统往往不是孤立的，多个运动控制系统之间常存在着依赖和联动，为了增加仿真的真实性，仿真过程必须兼顾到各系统之间的相互关系和数据交互，因此需要对所有运动控制系统同时进行仿真。目前，业内用于运动控制工业设计和测试的仿真系统，例如dSPACE，NI仿真设计平台和OPAL RT的RT-Lab等，仅能实现对单个运动控制系统的仿真，对于多个运动控制系统之间实时数据交互和仿真则无法处理。
[0006] 此外，运动控制系统中需要使用传感器将电信号转换为运动信号，由于运动信号的多样性，运动控制系统中可包括多种类型传感器，例如模拟传感器或数字传感器。当运动控制系统中存在多种类型传感器时，现有的仿真系统多采用软件模拟产生传感器信号，无法真实模拟出传感器工作时的输出信号，因而也就无法实现测量信号的完全、实时仿真，从而无法完全有效地发现控制器及硬件板卡存在的问题与缺陷。
[0007] 随着控制技术的发展，多个运动子系统的实时交互和同步，以及多种类型传感器的同时使用，是设计的必然趋势和需求，因此，有必要提供一种能够适用于多个运动子系统以及多种类型传感器的仿真系统。
发明内容
[0008] 本发明要解决的技术问题在于现有的运动控制仿真系统无法适用于多个运动子系统以及多种类型传感器。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种硬件在环仿真装置，与驱动装置相连接，用于对包括电机以及与电机相连的机械装置的传动系统进行硬件在环仿真，其特征在于，包括：运动模拟单元，用于根据数字输入信号、电机模型以及描述所述机械装置各运动轴的电机运动轴模型，获得对应的运动信号，以及根据所述运动信号获得传感器测量数据，并将所述传感器测量数据输出至输出单元；输入单元，用于接收来自所述驱动装置的驱动信号，根据所述驱动信号，获得用于输入所述运动模拟单元的数字输入信号；所述输入单元通过光纤与所述运动模拟单元相连接，并通过电气连接线与所述驱动装置相连接；输出单元，接收来自运动模拟单元的传感器测量数据，根据所述电机模型，进行仿真，并将所述仿真结果反馈至所述驱动装置；所述输出单元通过光纤与所述运动模拟单元相连接，并通过电气连接线与所述驱动装置相连接。
[0010] 可选的，所述输入单元为模数转换器。
[0011] 可选的，当所述电机的传感器为数字传感器时，所述运动模拟单元包括：驱动计算单元，用于接收来自所述输入单元的数字输入信号，根据电机模型，计算当电机接收所述数字输入信号时所产生的输出力；运动信号计算单元，用于计算在电机的所述输出力的作用下，相连接的机械装置各运动轴对应产生的运动信号；传感器计数值单元，用于根据所述运动信号和所述电机的传感器模型，计算出对应的传感器计数值。
[0012] 可选的，所述传感器为旋转编码器或光栅尺编码器。
[0013] 可选的，所述输出单元包括传感器模型仿真器。
[0014] 可选的，所述输出单元包括：周期计算单元，用于根据所述运动模拟单元所获得的传感器计数值以及传感器模型，以传感器采样周期与所述传感器计数值的比值作为信号周期并输出所述信号周期；波形产生单元，用于根据所述周期计算单元所获得的信号周期，产生仿真信号；分频输出单元，用于对所述波形产生单元所获得的仿真信号进行分频，并将分频的仿真信号输出至所述驱动装置。
[0015] 可选的，所述周期计算单元为除法器。
[0016] 可选的，所述波形产生单元为信号发生器。
[0017] 可选的，当所述电机的传感器为模拟传感器时，所述运动模拟单元包括：驱动计算单元，用于接收来自所述输入单元的数字输入信号，根据电机模型，计算当电机接收所述数字输入信号时所产生的输出力；运动信号计算单元，用于计算在电机的所述输出力的作用下，相连接的机械装置各运动轴对应产生的运动信号；传感器信号单元，用于根据所述运动信号和所述电机的传感器模型，计算出对应的传感器仿真信号的比特值。
[0018] 可选的，所述传感器为温度传感器。
[0019] 可选的，所述输出单元包括传感器模型仿真器。
[0020] 可选的，所述输出单元包括：数模转换单元，用于将所述传感器仿真信号的比特值转换为模拟信号并输出。
[0021] 可选的，所述输出单元还包括后续处理单元，用于对所述仿真信号进行后续处理，并输出至所述驱动装置。
[0022] 可选的，所述后续处理包括分频、滤波、放大等一种或多种处理方式。
[0023] 可选的，所述输入单元和所述输出单元构成接口单元。
[0024] 可选的，所述硬件在环仿真装置包括多个接口单元和多个运动模拟单元，接口单元与对应的驱动单元通过电气线路进行连接，其中，每个接口单元与对应的运动模拟单元通过光纤进行连接，各运动模拟单元通过同步数据总线或光纤进行连接。
[0025] 本发明还提供了一种硬件在环仿真方法，用于对包括电机以及与电机相连的机械装置的传动系统进行硬件在环仿真，包括：根据驱动信号，计算出电机的数字输入信号；根据所述数字输入信号、电机模型以及描述所述机械装置各运动轴的电机运动轴模型，获得运动信号，以及对应的传感器测量数据；根据所述传感器测量数据进行仿真，获得仿真结果并输出至驱动装置。
[0026] 可选的，所述电机模型用于描述电机所输出的信号随所接收到的驱动信号的变化而变化的对应关系；所述电机运动轴模型用于描述机械装置各运动轴所产生的运动信号随所接收到来自电机的输出信号的变化而变化的对应关系。
[0027] 可选的，所述驱动信号为用于驱动电机的驱动电压。
[0028] 可选的，所述根据驱动信号，计算出电机的数字输入信号，包括：对数字功率放大器进行反向建模，根据该模型，对所述驱动信号进行模数转换，获得当所述数字功率放大器输出所述驱动电压时，其所接收的对应的数字输入信号。
[0029] 可选的，当所述驱动电压在-10伏至10伏之间变化时，所对应的数字输入信号在0x000000至0xFFFFFF之间变化。
[0030] 可选的，所述运动信号包括当机械装置各运动轴接收到所述输出力时，产生的运动轴位移、或运动速度。
[0031] 可选的，所述根据数字输入信号、电机模型以及电机运动轴模型，获得运动信号以及对应的传感器测量数据包括：根据所述数字输入信号以及所述电机模型，计算当所述电机接收到所述数字输入信号时所产生的输出力；根据电机运动轴模型，计算机械装置各运动轴在所述输出力的作用下所产生的运动信号；根据所获得的运动信号以及电机的传感器模型，获得对应的传感器计数值。
[0032] 可选的，所述传感器计数值用于表示每个传感器采样周期中所包含的仿真信号的周期数。
[0033] 可选的，所述根据所获得的运动信号以及电机的传感器模型，获得对应的传感器计数值包括：以所述运动轴位移与编码器最小分辨位移的比值为所述传感器计数值。
[0034] 可选的，当所述运动轴位移不为编码器最小分辨位移的整数倍时，采用四舍五入的方式获得所述传感器计数值。
[0035] 可选的，所述根据传感器测量数据进行仿真，获得仿真结果并输出至驱动装置包括：根据所述传感器计数值，获得仿真信号的周期值；根据所述获得的周期值，产生仿真信号并输出。
[0036] 可选的，所述仿真信号的周期值为所述传感器采样周期与所述传感器计数值的比值。
[0037] 可选的，采用位差绝对值为90°的AB相正交信号作为仿真信号。
[0038] 可选的，所述根据数字输入信号、电机模型以及电机运动轴模型，获得运动信号以及对应的传感器测量数据包括：根据所述数字输入信号以及所述电机模型，计算当所述电机接收到所述数字输入信号时所产生的输出力；根据电机运动轴模型，计算机械装置各运动轴在所述输出力的作用下所产生的运动信号；根据所获得的运动信号以及电机的传感器模型，获得对应的传感器计数值。
[0039] 可选的，所述根据传感器计数值进行仿真，获得仿真结果并输出至驱动装置包括：对所述仿真信号的比特值进行数模转换，获得模拟信号并输出。
[0040] 可选的，所述硬件在环仿真方法还包括：建立电机运动轴模型以及建立电机模型。
[0041] 相较于现有技术，本发明根据驱动装置的驱动信号与电机的运动轴模型，通过运动模拟单元，获得运动信号以及对应的传感器测量数据；根据所述传感器测量数据，通过输出单元模拟传感器的输出信号，并将所述模拟的输出信号反馈至驱动装置，使所述硬件在环仿真装置能适应多种类型传感器，从而能够方便地仿真出使用编码器或干涉仪反馈的运动控制系统。
附图说明
[0042] 图1是本发明硬件在环仿真装置实施方式的结构示意图；
[0043] 图2是图1运动模拟单元具体实施方式的结构示意图；
[0044] 图3是图1输出单元具体实施方式的结构示意图；
[0045] 图4是本发明硬件在环仿真装置另一种实施方式的结构示意图；
[0046] 图5是本发明硬件在环仿真装置具体实施例的结构示意图；
[0047] 图6是本发明硬件在环仿真方法实施方式的流程示意图；
[0048] 图7是图6步骤S2具体实施方式的流程示意图；
[0049] 图8是图6步骤S3具体实施方式的流程示意图；
[0050] 图9和图10是本发明硬件在环仿真方法具体实施例中，对应于大小相同、方向相反的运动位移，所产生的仿真信号的波形示意图。
具体实施方式
[0051] 一般来说，仿真系统通常可包括：动态案例模型库和硬件在环(HIL)仿真装置。硬件在环仿真装置通过提供大量高速的输入/输出通道、人机界面(HMI)平台以及用于仿真分析的仿真控制单元，使仿真系统和驱动装置同步运行，并保证仿真系统的功能和性能。
[0052] 本发明硬件在环仿真装置的实施方式，根据驱动装置的驱动信号、电机模型以及电机运动轴模型，通过运动模拟单元，获得运动信号以及对应的传感器测量数据；根据所述传感器测量数据，通过输出单元模拟传感器的输出信号，并将所述模拟的输出信号反馈至驱动装置，使所述硬件在环仿真装置能适应不同类型传感器，不仅包括各种模拟传感器，还可包括增量或绝对式编码器、干涉仪等输出信号为脉冲形式的数字传感器，从而能够方便地仿真出使用编码器或干涉仪反馈的运动控制系统，解决了在复杂控制系统中使用多种类型传感器进行仿真的问题。
[0053] 参考图1，本发明实施方式中提供了一种硬件在环仿真装置，与驱动装置150相连接，用于对包括电机以及与电机相连的机械装置的传动系统进行硬件在环仿真，可包括：输入单元101，用于接收来自所述驱动装置的驱动信号，根据所述驱动信号，获得数字输入信号，并将所获得的数字输入信号传输至运动模拟单元102；运动模拟单元102，用于根据从输入单元101获得的数字输入信号、电机模型以及描述所述机械装置各运动轴的电机运动轴模型，获得对应的运动信号，以及根据所述运动信号获得传感器测量数据，并将所述传感器测量数据输出至输出单元103；输出单元103，接收来自运动模拟单元102的传感器测量数据，根据所述电机模型，进行仿真，并将所述仿真结果反馈至所述驱动装置。
[0054] 下面结合附图和具体实施例，对本发明硬件在环仿真装置的实施方式进行进一步说明。
[0055] 其中，输入单元101和输出单元103分别通过光纤与运动模拟单元102相连接，并且分别通过电气连接线与所述驱动装置相连接。
[0056] 具体来说，输入单元101可为模数转换器，将所接收到的驱动信号转换为数字输入信号。其中，所述数字输入信号为电机模型的输入信号。
[0057] 参考图2，运动模拟单元102可包括驱动计算单元201，用于接收来自输入单元101的数字输入信号，根据电机模型，计算当电机接收所述数字输入信号时所产生的输出力；运动信号计算单元202，用于计算在电机的所述输出力的作用下，相连接的机械装置各运动轴对应产生的运动信号；传感器信号计算单元203，用于根据所述运动信号和所述电机的传感器模型，计算出对应的传感器测量数据。
[0058] 其中，当所述电机的传感器为数字传感器时，例如旋转编码器、或光栅尺编码器、或干涉仪等，传感器信号计算单元203根据所述运动信号和所述电机的传感器模型，计算出传感器计数值；当所述电机的传感器为模拟传感器时，例如温度传感器，传感器信号计算单元203根据所述运动信号和所述电机的传感器模型，计算出传感器仿真信号的比特值。
[0059] 输出单元103可包括后续处理单元，用于对所述仿真信号进行后续处理，并输出至所述驱动装置；其中，所述后续处理可包括分频、滤波、放大、数/模转换等一种或多种处理方式。
[0060] 当所述电机的传感器为数字传感器时，参考图3，输出单元103可包括：周期计算单元300，用于根据运动模拟单元102所获得的传感器计数值以及传感器模型，以传感器采样周期与所述传感器计数值的比值作为信号周期并输出所述信号周期；波形产生单元301，用于根据周期计算单元300所获得的信号周期，产生仿真信号；分频输出单元302用于对波形产生单元301所获得的仿真信号进行分频，并将分频的仿真信号输出至所述驱动装置150。其中，周期计算单元300可为除法器；波形产生单元301可为信号发生器；分频输出单元302可为分频器。
[0061] 当所述电机的传感器为模拟传感器时，输出单元103可包括模数转换器，用于对运动模拟单元102所获得的传感器仿真信号的比特值进行数模转换，获得模拟电压并输出。
[0062] 在本发明硬件在环仿真装置的其它实施方式中，可包括接口单元110和运动模拟单元102，其中，接口单元201由输入单元101和输出单元103组成。
[0063] 在其它具体实施中，参考图4，本发明硬件在环仿真装置还可包括多个接口单元和多个运动模拟单元，其中，每个接口单元与对应的运动模拟单元通过光纤进行连接，每个接口单元与对应的驱动单元通过电气线路进行连接，各运动模拟单元通过同步数据总线或光纤进行连接。具体来说，接口单元401接收驱动装置的驱动信号，对其进行模数转换后，将对应的数字输入信号输入至对应的运动模拟单元402，以及接收来自运动模拟单元402所获得的与运动信号对应的所述传感器计数值，根据所述驱动装置所对应的模型，进行仿真，并获得仿真结果；运动模拟单元402，根据从接口单元401获得的数字信号以及与所述机械装置各运动轴对应的电机运动轴模型，获得对应的运动信号，以及根据所述运动信号获得传感器测量数据，并将所述传感器测量数据输入至对应的接口单元401。
[0064] 在上述本发明硬件在环仿真装置的各种其它实施方式中，还可包括人机界面平台，用于对运动模拟单元的计算过程以及运动模拟单元与接口单元、或运动模拟单元与输入单元、输出单元之间的通信过程进行控制。
[0065] 参考图5，在本发明硬件在环仿真装置的一个具体实施例中，包括人机控制界面(图未示)，至少一台用于安装板卡的机箱501，一块子系统控制计算机板502，至少一块仿真控制板503，至少一块多功能接口板卡504，一个同步总线控制器505，高速光纤506及电气连接线507。
[0066] 其中，子系统控制计算机502用于下载固件、进行数据和指令的通信；仿真控制板503作为仿真控制单元，多功能接口板卡504作为接口单元。
[0067] 机箱的数量根据需要安装的板卡的数量和布局决定，仿真控制板的数量根据被仿真的被控子系统的数量和每个子系统中仿真模型的计算复杂性决定。多个仿真控制板可使用高速光纤或同步总线通讯协同工作；子系统控制计算机板503与仿真控制板502之间通过机箱501的数据总线508进行数据交换；多功能接口板卡504与仿真控制板503之间通过高速光纤506连接，与驱动装置中的功率放大控制板509之间采用电气连接线507连接。
[0068] 参考图6，本发明还提供了一种硬件在环仿真方法，用于对包括电机以及与电机相连的机械装置的传动系统进行硬件在环仿真，可包括：步骤S1，根据驱动信号，计算出电机的数字输入信号；步骤S2，根据所述数字输入信号、电机模型以及描述所述机械装置各运动轴的电机运动轴模型，获得运动信号，以及对应的传感器测量数据；步骤S3，根据所述传感器测量数据，进行仿真，获得仿真结果并输出至驱动装置。
[0069] 其中，所述电机模型用于描述电机所输出的信号随所接收到的驱动信号的变化而变化的对应关系；所述电机运动轴模型用于描述机械装置各运动轴所产生的运动信号随所接收到来自电机的输出信号的变化而变化的对应关系。
[0070] 步骤S1中，所述驱动信号来自驱动装置，可为用于驱动电机的驱动电压。根据驱动信号计算出电机的数字输入信号具体可包括：对数字功率放大器进行反向建模，根据该模型，对所述驱动信号进行模数转换，获得当所述数字功率放大器输出所述驱动电压时，其所接收的对应的数字输入信号。该数字输入信号作为电机模型的输入信号。
[0071] 在具体实施例中，通过对数字功率放大器的模型，建立驱动电压与数字输入信号之间的对应关系。例如，当数字功率放大器输出-10伏的驱动电压时，其接收的数字输入信号对应于0x000000；当数字功率放大器输出10伏的驱动电压时，其接收的数字输入信号对应于0xFFFFFF；当数字功率放大器输出的驱动电压在-10伏至10伏之间变化时，相应地，其接收的数字输入信号在0x000000至0xFFFFFF之间变化。
[0072] 参考图7，步骤S2可包括：步骤S201，根据所述数字输入信号以及所述电机模型，计算当所述电机接收到所述数字输入信号时所产生的输出力；步骤S202，根据电机运动轴模型，计算机械装置各运动轴在所述输出力的作用下所产生的运动信号；步骤S203，根据步骤S202所获得的运动信号以及电机的传感器模型，获得对应的传感器测量数据。
[0073] 其中，所述运动信号可包括当机械装置各运动轴接收到所述输出力时，产生的运动轴位移、或运动速度等。
[0074] 当所述电机的传感器为数字传感器时，所述传感器测量数据为传感器计数值，所述传感器计数值用于表示每个传感器采样周期中所包含的仿真信号的周期数；当所述电机的传感器为模拟传感器时，所述传感器测量数据为仿真信号的比特值。
[0075] 以数字传感器为例，所述运动信号为运动轴位移，并且以编码器作为位置传感器时，步骤S203根据所获得的运动信号以及传感器模型获得对应的传感器计数值，可通过以下步骤来实现：以所述运动轴位移与编码器最小分辨位移的比值为所述传感器计数值；当所述运动轴位移不为编码器最小分辨位移的整数倍时，采用四舍五入的方式获得所述传感器计数值。例如，当编码器最小分辨率为1μm，采样周期T1内待模拟的运动轴位移为5μm时，所述传感器计数值为5，也就是说，需要在一个采样周期中获得5个周期的仿真信号。
[0076] 当所述电机的传感器为数字传感器时，参考图8，步骤S3可包括：步骤S301，根据所述传感器计数值，获得仿真信号的周期值；步骤S302，根据步骤S301所获得的周期值，产生仿真信号并输出。
[0077] 步骤S301具体来说，所述仿真信号的周期值可为传感器采样周期与所述传感器计数值的比值。例如，每个采样周期为400μs，所述传感器计数值为5，则待产生的仿真信号的周期为 所述传感器计数值为10，则待产生的仿真信号的周期为[0078] 各运动轴所产生的运动位移可为正向或负向，在步骤S302中，可采用AB相正交信号作为仿真信号。参考图9和图10，对应于大小相同、方向相反的运动位移，所产生的仿真信号波形如图所示，通过相位差绝对值为90°的AB相正交编码信号将方向信息加入码流。
[0079] 当所述电机的传感器为模拟传感器时，步骤S3可包括：对所述仿真信号的比特值进行数模转换，获得模拟信号并输出。
[0080] 在其它实施方式中，本发明硬件在环仿真方法还可包括：建立电机运动轴模型以及建立电机模型。具体来说，建立电机模型包括：为所有运动轴的电机建模，该模型反映电机接收数字输入信号时的输出力，以及为所有运动轴所使用的电机的数字功率放大器进行反向建模，该模型反映数字功率放大器在输出驱动电压时对应的数字输入信号，以该数字输入信号作为电机模型的输入；建立电机运动轴模型包括：为机械装置的各运动轴建立模型，该模型反映各运动轴接收到所述输出力时，所产生的运动信号。
[0081] 相对于现有技术，本发明具有较明显的有益效果：
[0082] 本发明实施方式中，根据驱动装置的驱动信号与电机的运动轴模型，通过运动模拟单元，计算出运动信号以及待模拟传感器的传感器测量数据，通过输出单元模拟传感器的输出信号，并将所述模拟的输出信号反馈至驱动装置。而且，本发明实施方式中，对于其传感器为数字传感器的电机，通过相位差绝对值为90°的AB(或ABI)相正交编码信号模拟出绝对式编码器或干涉仪的输出信号，从而能够方便的仿真出使用编码器或干涉仪反馈的运动控制系统。
[0083] 此外，本发明实施方式中，还可包括多个接口单元和多个运动模拟单元，通过每个接口单元与对应的运动模拟单元采用高速光纤进行通信，以及各运动模拟单元通过同步数据总线或光纤进行通信，并且，每个接口单元与对应的驱动单元之间建立电气信号传输通道，实现了不同类型传感器原始输出信号的仿真，并满足了多个子系统同时仿真的实时同步要求。
[0084] 虽然本发明已通过较佳实施例说明如上，但这些较佳实施例并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各种改正和补充，因此，本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。
