永磁交流伺服系統(tǒng)性能測(cè)試和分析平臺(tái)的開(kāi)發(fā)*

張 韜，鮑海靜，石 海

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

伺服系統(tǒng)作為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中的重要執(zhí)行部件，具有高精度、高功率密度和高可靠性的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等自動(dòng)化生產(chǎn)線[1-2]。自動(dòng)化工業(yè)迅速發(fā)展，對(duì)伺服系統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)也提出了更高要求：一方面，在新產(chǎn)品研制過(guò)程中，除了對(duì)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程及算法理論分析方面進(jìn)行研究外，還必須具有對(duì)產(chǎn)品或樣機(jī)進(jìn)行大量常規(guī)性能試驗(yàn)驗(yàn)證的能力，以探索改進(jìn)的途徑；另一方面，隨著伺服系統(tǒng)高級(jí)功能的不斷增加，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制功能測(cè)試也提出了針對(duì)性的要求[3-4]。因此，全方位地提高伺服系統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)，準(zhǔn)確分析伺服系統(tǒng)的性能，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義[5-6]。

在國(guó)外，各大伺服系統(tǒng)廠家的產(chǎn)品都有相對(duì)應(yīng)的上位機(jī)軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)的監(jiān)控及性能的簡(jiǎn)單測(cè)試和調(diào)試，如富士的Alpha5、安川的SigmaWin、松下的Panaterm等，它們都能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、位置信號(hào)等，并能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)模型進(jìn)行諧振分析[7-8]。

筆者設(shè)計(jì)了永磁交流伺服系統(tǒng)性能測(cè)試和分析平臺(tái)，以C#為平臺(tái)的界面開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)相關(guān)測(cè)試模塊及操作按鈕，完成與儀器設(shè)備的串行通信和數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)監(jiān)控伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩指令和位置，同時(shí)直觀地給出性能參數(shù)，大大縮短伺服系統(tǒng)分析測(cè)試時(shí)間。

1 伺服系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)方案

伺服系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)從硬件上主要分為三個(gè)部分：主機(jī)控制部分、信號(hào)激勵(lì)和采集部分、機(jī)械加載部分。通過(guò)整個(gè)平臺(tái)各部分的相互協(xié)同工作，完成對(duì)伺服系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試。伺服系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)框圖如圖1所示。

圖1 伺服系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)框圖

主機(jī)控制部分集成了測(cè)試軟件，完成對(duì)信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀的控制，以及采集卡的數(shù)據(jù)采集和讀取，同時(shí)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，生成報(bào)表并導(dǎo)出，是和用戶直接交互的模塊。

信號(hào)激勵(lì)和采集部分主要包括信號(hào)采集卡、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀。

信號(hào)發(fā)生器可以生成任意波形，分別為待測(cè)驅(qū)動(dòng)器和負(fù)載驅(qū)動(dòng)器輸出模擬量控制信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器由主機(jī)控制，然后基于主機(jī)的指令精確控制待測(cè)驅(qū)動(dòng)器與負(fù)載的轉(zhuǎn)速、位置與扭矩。

頻譜分析儀通過(guò)接收主機(jī)控制指令，向待測(cè)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送頻率變化的正弦波信號(hào)，通過(guò)掃頻的方式，可以測(cè)量待測(cè)驅(qū)動(dòng)器的幅值-頻率特性與相角-頻率特性，并繪制出伯德圖。

機(jī)械加載部分采用對(duì)拖的方式實(shí)現(xiàn)加載，由負(fù)載伺服電機(jī)、負(fù)載驅(qū)動(dòng)器、被測(cè)伺服電機(jī)、被測(cè)驅(qū)動(dòng)器及轉(zhuǎn)速傳感器組成。負(fù)載伺服電機(jī)控制被測(cè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速傳感器獲得轉(zhuǎn)速信號(hào)和位置信號(hào)，保證整個(gè)測(cè)試過(guò)程的穩(wěn)定性、可控性及高精度[9-10]。為較全面地檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器中慣量辨識(shí)算法的有效性，測(cè)試平臺(tái)中共設(shè)計(jì)了七種針對(duì)不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值的慣量盤。機(jī)械加載臺(tái)架如圖2所示。

圖2 機(jī)械加載臺(tái)架

在電流環(huán)帶寬測(cè)試過(guò)程中，需要將伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸鎖死，消除反電勢(shì)對(duì)電流環(huán)帶寬的影響，所以選用帶抱閘的伺服電機(jī)作為負(fù)載電機(jī)，并且抱閘力矩需大于被測(cè)伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。

測(cè)試平臺(tái)的軟件主要包含四大模塊：儀器配置模塊、產(chǎn)品配置模塊、硬件控制模塊和測(cè)試分析模塊，其框架如圖3所示。

圖3 伺服系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)軟件框架

2 控制界面的實(shí)現(xiàn)

伺服系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)的控制界面主要實(shí)現(xiàn)儀器的配置、被測(cè)產(chǎn)品的配置、硬件控制模塊的驅(qū)動(dòng)等。

2.1 儀器配置模塊

儀器配置模塊主要檢測(cè)設(shè)備的在線狀態(tài)，并可進(jìn)行調(diào)試。由于測(cè)試平臺(tái)基于信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀、信號(hào)采集卡等儀器設(shè)備通信，因此平臺(tái)能夠檢測(cè)所有設(shè)備的在線狀態(tài)。圖4～圖6給出了三種儀器的調(diào)試界面。儀器設(shè)備之間的通信采用通用可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令(SCPI)通信協(xié)議，能夠快速實(shí)時(shí)檢測(cè)儀器在線狀態(tài)，是系統(tǒng)運(yùn)行的可靠保障。

圖4 信號(hào)發(fā)生器調(diào)試界面

圖5 信號(hào)采集卡調(diào)試界面

圖6 頻譜分析儀調(diào)試界面

2.2 產(chǎn)品配置模塊

產(chǎn)品配置模塊具備產(chǎn)品項(xiàng)目配置與檢測(cè)參數(shù)設(shè)置功能，用戶可以根據(jù)不同的測(cè)試需求配置相關(guān)參數(shù)，測(cè)試項(xiàng)目配置界面如圖7所示。

圖7 測(cè)試項(xiàng)目配置界面

2.3 硬件控制模塊

硬件控制模塊包含上位機(jī)軟件與所有設(shè)備通信的驅(qū)動(dòng)程序，主要包含伺服驅(qū)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)、信號(hào)發(fā)生器讀寫(xiě)驅(qū)動(dòng)、頻譜分析儀讀寫(xiě)驅(qū)動(dòng)、信號(hào)采集卡讀寫(xiě)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)程序流程如圖8所示。

圖8 驅(qū)動(dòng)程序流程圖

3 伺服系統(tǒng)性能測(cè)試

測(cè)試分析模塊主要實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的性能測(cè)試，能夠完成對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)速誤差、階躍響應(yīng)、定位精度，以及電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)帶寬等動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能的測(cè)試。

3.1 穩(wěn)速誤差

穩(wěn)速誤差是判斷伺服系統(tǒng)靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，尤其是在低速條件下。在轉(zhuǎn)速比較慢時(shí)，需要系統(tǒng)具有較高的采樣率和存儲(chǔ)深度，才能保證波形不失真。測(cè)試過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)器工作在速度控制模式下，使能驅(qū)動(dòng)裝置，待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，采集編碼器脈沖信號(hào)，采樣數(shù)據(jù)數(shù)量為1000個(gè)，記錄實(shí)際轉(zhuǎn)速值，并計(jì)算轉(zhuǎn)速的算術(shù)平均值、均方根誤差、最大速度vmax、最小速度vmin和速度波動(dòng)率Kf。速度波動(dòng)率Kf的計(jì)算式為：

(1)

圖9所示為轉(zhuǎn)速為1r/min時(shí)的轉(zhuǎn)速波形，可以看到，軟件能夠根據(jù)時(shí)間計(jì)算出當(dāng)前的轉(zhuǎn)速、平均轉(zhuǎn)速、均方根誤差、最大速度、最小速度和速度波動(dòng)率。

圖9 穩(wěn)速誤差測(cè)試圖

在自動(dòng)測(cè)試模式下，可以根據(jù)配置的測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，圖10為測(cè)試中的數(shù)據(jù)。

圖10 穩(wěn)速誤差測(cè)試中數(shù)據(jù)

3.2 階躍響應(yīng)

階躍響應(yīng)是從時(shí)域角度分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，反映了系統(tǒng)跟隨指令信號(hào)的能力，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)常用以下三個(gè)參數(shù)表示。

(1) 超調(diào)量。這一參數(shù)指伺服電機(jī)在階躍給定條件下的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的過(guò)沖特性。

(2) 上升時(shí)間。上升時(shí)間為階躍響應(yīng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速?gòu)?0%上升到90%的時(shí)間。

(3) 穩(wěn)定時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間為轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在±5%目標(biāo)值收斂區(qū)域的時(shí)間。

通過(guò)移動(dòng)界面上的橫縱坐標(biāo)可以自動(dòng)計(jì)算以上三個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)，圖11所示為轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)波形圖，在給定速度200r/min時(shí)，通過(guò)信號(hào)采集卡采集轉(zhuǎn)速模擬量輸出信號(hào)，采樣率為10kHz，并通過(guò)區(qū)間坐標(biāo)自動(dòng)得到所需的穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)。

圖11 階躍響應(yīng)波形圖

3.3 三環(huán)帶寬

帶寬測(cè)試不僅可以反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)可以反映系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。測(cè)試平臺(tái)以正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)幅值不變，頻率隨時(shí)間按對(duì)數(shù)變化的方式掃頻，測(cè)得不同頻率下的響應(yīng)。

頻譜分析儀的輸出作為伺服驅(qū)動(dòng)單元的模擬量轉(zhuǎn)速輸入，驅(qū)動(dòng)單元的轉(zhuǎn)速監(jiān)控?cái)?shù)模輸出作為頻譜分析儀的輸入。設(shè)置轉(zhuǎn)速直流偏置信號(hào)為 450r/min，正弦波幅值為75r/min。

頻譜分析儀可以在定點(diǎn)頻率模式和掃頻模式下進(jìn)行測(cè)試，掃頻范圍為1～400Hz。

從上位機(jī)的頻域響應(yīng)波形中讀取系統(tǒng)幅值裕度和相角裕度。

圖12為定點(diǎn)測(cè)試時(shí)頻率50Hz下得到的曲線和幅值增益及相位差，圖13為掃頻方式得到的速度環(huán)帶寬曲線。

圖12 50Hz定點(diǎn)測(cè)試波形

圖13 掃頻方式帶寬測(cè)試圖

3.4 定位精度

在位置控制模式下，加減速時(shí)間均設(shè)定為0，速度環(huán)輸出限幅設(shè)定為允許輸出最大值，負(fù)載為空載，使能伺服系統(tǒng)。

給定位置指令，所對(duì)應(yīng)的速度為50%額定速度，觀測(cè)并記錄系統(tǒng)發(fā)出的脈沖和編碼器反饋的脈沖數(shù)值，計(jì)算位置跟蹤誤差，同時(shí)記錄位置跟蹤誤差波形，用以全面評(píng)價(jià)整定參數(shù)的跟隨性能。圖14給出了定位精度測(cè)試界面。

圖14 定位精度測(cè)試

4 結(jié)論

筆者所設(shè)計(jì)的永磁交流伺服系統(tǒng)性能測(cè)試和分析平臺(tái)，能夠完成轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、位置等伺服電機(jī)參數(shù)的采集和計(jì)算，直觀地反映出各項(xiàng)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)控制性能指標(biāo)。測(cè)試結(jié)果表明，這一平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量并顯示伺服系統(tǒng)的時(shí)域和頻域特性。

[1] 暨綿浩.基于TMS320F2812DSP的高精度伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案[J].伺服控制，2012(5)：88-91．

[2] 滕福林,胡育文,李宏勝,等.伺服系統(tǒng)性能測(cè)試和分析平臺(tái)[J].電氣傳動(dòng),2011,41(1)：45-49，64.

[3] 樊留群,萬(wàn)德科.伺服系統(tǒng)性能測(cè)試臺(tái)的研究與開(kāi)發(fā)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2010,37(7)：16-19，27.

[4] 曹宇.伺服系統(tǒng)特性測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)[D].武漢：華中科技大學(xué),2013.

[5] 趙小麗,黃家才,李凱,等.交流伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能在線測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2013,34(10)：70-73.

[6] 陳華.交流伺服永磁同步電機(jī)機(jī)械性能測(cè)試系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].南寧：廣西大學(xué),2013.

[7] 李宏勝.數(shù)控機(jī)床用伺服系統(tǒng)性能測(cè)試裝置的研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2001(7)：30-33.

[8] 晏杰，閆英敏，趙霞.伺服驅(qū)動(dòng)器測(cè)試方法的仿真研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012(7)：64-67.

[9] 鮑海靜,張韜,張靜.分?jǐn)?shù)槽繞組永磁伺服電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與分析[J].上海電氣技術(shù)，2016，9(3)：24-29.

[10] 張靜,張韜,鮑海靜.五相永磁同步電動(dòng)機(jī)控制方法的研究[J].上海電氣技術(shù)，2016，9(3)：30-34.

(編輯：丁 罡)