基于Ether CAT的關節伺服系統綜合測試方法研究*

周 晶，倪 敬，蒙 臻，陳 星，董云瀧

(杭州電子科技大學 機械工程學院，浙江 杭州 310018)

0 前 言

在異形薄壁工件柔性化生產中，相較大型數控機床，多關節機器人加工系統更為靈活。因此近年來，航空航天領域中的大型構件中已廣泛使用多自由度工業機器人加工系統進行生產制造。而工業機器人伺服系統(IRSS)是決定多自由度工業機器人空間曲面定位精度及加工性能的核心部件[1]，其在復雜工況下的服役性能直接影響了大型構件的加工精度和表面完整性。因此，IRSS服役性能測試已成為工業機器人加工系統研發過程中的重要環節。

近年來，國內外學者對于伺服系統性能測試開展了一系列研究：(1)在工業機器人測試方面，針對復雜工況下的工業機器人，進行了伺服電機的設計優化和運動軌跡規劃，以提高其運動控制精度[2，3]；(2)在伺服系統參數測試方面，提出一種測試伺服電機電參數測試的方法和儀器，簡化了測試過程中的電參數測試方法[4-6]；(3)在測試系統研制方面，相關人員基于控制電機動態響應快等優點，提出了通過伺服電機加載動態轉矩的測試系統[7-9]；(4)在Ether CAT總線應用方面，針對Ether CAT總線在伺服運動控制系統中的應用進行了詳細敘述[10，11]。

但是現有的伺服電機測試技術，多是針對通用的伺服系統，測試內容也多是針對伺服系統的單一特性，鮮有針對復雜工況條件下伺服系統的綜合性能測試。因此，有必要針對復雜工況條件，設計新的IRSS服役性能測試方法。

在現有伺服系統測試方法的基礎上，基于Ether CAT總線技術[12]，模擬IRSS的運動曲線和負載水平，筆者提出針對復雜工況條件的IRSS服役性能綜合性測試方法。

1 測試原理

1.1 基本原理

參考國家標準GB/T 7344-2015《交流伺服電動機通用技術條件》，GB/T 7345-2008《控制電機基本技術要求》和GB/T 16439-2009《交流伺服系統通用技術條件》，以及企業標準Q/3100 001-2018《交流伺服電機通用技術標準》，交流伺服系統測試環節主要涉及工作特性測試、響應特性測試和環境適應性測試。

六軸工業機器人伺服驅動關節示意圖如圖1所示。

圖1 六軸工業機器人伺服驅動關節

1.1.1 工作特性測試原理

在工業機器人工作過程中，根據負載和轉速是否恒定，伺服電機通常有以下運行模式：①穩態運行：負載與轉速均恒定；②動載運行：負載動態變化；③變速運行：轉速及方向動態變化；④變速動載運行：轉速和負載均動態變化。

特別是第④種運行模式對工業機器人伺服電機的服役性能影響最大。因此，本測試系統選擇變速動載條件下的輸出扭矩波動系數和轉速波動系數、轉速調整系數作為IRSS服役性能的判斷標準。

其中，輸出扭矩波動系數和轉速波動系數主要表征了IRSS長時間運轉下的穩定性，即：

(1)

式中：Kfn—電機轉速波動系數；nmax—電機瞬態轉速的最大值，r/min；nmin—電機瞬態轉速的最小值，r/min；

(2)

式中：KfT—電機轉矩波動系數；Tmax—電機瞬態轉矩的最大值，N·m；Tmin—電機瞬態轉矩的最小值，N·m。

轉速調整系數主要表征了IRSS在擾動下的穩定性，即：

(3)

式中：ni—電機的實際轉速，r/min；nN—電機的額定轉速，r/min。

1.1.2 響應特性測試原理

當復雜的工作路徑需要關節伺服電機急轉急停時，伺服系統響應變快，其超調量會變大，穩定性變差。因此，在響應特性測試環節，主要通過不同運動曲線下的響應超調量和響應時間來評價其性能。

IRSS系統的超調量為：

(4)

式中：nmax—電機勻速段的最大速度，r/min；n—設定的電機勻速段的速度，r/min。

響應時間為：

tr=t(n)-t(nmax)

(5)

式中：t(nmax)—電機勻速段的最大速度下對應的時間，s；t(n)—第一次達到設定的電機勻速段的速度下對應的時間，s。

而在曲面加工時，關節伺服電機需要頻繁正反轉，因此正反轉速差率也是重要的測試指標，即：

(6)

式中：ncw—電機正轉均值，r/min；nccw—電機反轉均值，r/min。

1.1.3 環境適應性測試原理

溫度是影響工業機器人伺服電機性能的主要因素，需要在極端的環境條件下，對伺服電機的特性進行測試。不同環境溫度對伺服電機的影響主要體現在：溫度越高，繞組阻值增大，銅耗越大。而伺服電機的繞組阻值增大時，輸出電流會變小，隨之輸出功率減小。因此，在環境適應性測試階段，要通過伺服電機的輸出電流和輸出功率對伺服電機的性能進行評價。

伺服電機的輸出功率為：

(7)

式中：T—電機的輸出扭矩，N·m；n—電機的輸出轉速，r/min。

1.1.4EtherCAT應用原理

基于Ether CAT技術，結合工業機器人實際工作環境，筆者采用以太網的現場總線技術對測試系統進行控制；PLC與伺服驅動器之間采用COE(CAN open Over Ether CAT)通訊協議，提高傳輸速率；內部通訊芯片ESC直接處理主站PLC所發出的運動控制數據，滿足迅速啟停的要求，且可以抵抗溫度變化的影響，在溫度急速變化中保持穩定性。

1.2 測試方案

1.2.1 工作特性測試

依據工作特性測試原理，筆者設計了穩態運行、動載運行、變速運行和變速動載運行實驗方案。具體的實驗步驟如下：

(1)針對工業機器人伺服電機在穩態下運行，試驗時取工業機器人伺服系統，設置伺服電機長期正轉運行，搭載的負載為恒定負載，進行實驗，實驗數據采集頻率為1 024 HZ；

(2)針對工業機器人伺服電機動載運行，系統采用磁滯制動器對伺服電機施加負載扭矩，采用“法蘭盤+質量塊”對工業機器人伺服電機的負載慣量進行調節。

工業機器人伺服電機受到的負載慣量JL為：

(8)

式中：JL—質量塊繞伺服電機軸的負載慣量(kg·m2)；ai—法蘭盤各安裝位置質量塊的個數；m—單個質量塊的質量，kg；d—質量塊的邊長，m；L—質量塊質心到伺服電機軸心的距離，m；

(3)取2臺工業機器人伺服電機，分別搭載質量塊和磁滯制動器，進行動載運行實驗。設置2臺伺服電機長期正轉運行，伺服電機受到的負載慣量變化速率為0.4 kg·m2/H，負載扭矩變化率為0.4 N·m/H，進行實驗，實驗數據采集頻率為1 024 HZ；

(4)針對工業機器人伺服電機變速運行，試驗時，取工業機器人用伺服電機，設置運行規律為周期性正反轉運行，且其為空載運行，進行實驗，實驗數據采集頻率為1 024 HZ；

(5)針對工業機器人伺服電機變速動載運行，取兩臺工業機器人用伺服電機，分別搭載質量塊和磁滯制動器，設置兩臺伺服電機周期性正反轉運行，伺服電機受到的負載慣量和負載扭矩變化速率為0.6 N·m/H，進行實驗，實驗數據采集頻率為1 024 HZ。

1.2.2 響應特性測試

依據響應特性測試原理，筆者設計了變周期性正反轉運行、急停急轉運行等運行曲線。

實驗步驟如下：

(1)進行變周期正反轉運行試驗。設置伺服電機的運行規律為反轉勻速運行時間是正轉勻速運行時間的2倍，正轉勻速速度為反轉勻速速度的2倍，進行實驗，實驗數據采集頻率為1 024 HZ；

(2)進行急停急轉運行試驗，設置伺服電機的運行規律為正轉加速度為額定加速度的3倍，運行曲線是周期性正轉，進行實驗，實驗數據采集頻率為1 024 HZ。

1.2.3 環境適應性測試

首先將空載狀態下的伺服電機放置在三綜合實驗箱中，設定運行曲線為長期正轉運行；其次通過PLC設置三綜合實驗箱溫度范圍為-20 ℃～70 ℃，溫度變化速率為10 ℃/H；進行實驗，實驗數據采集頻率為1 024 HZ。

1.2.4 復雜工況測試

首先將搭載磁滯制動器的伺服電機放置在三綜合實驗箱中，通過PC設置伺服電機運行曲線為急停急轉運行；設置三綜合實驗箱溫度為20 ℃～70 ℃，溫度變化速率為10 ℃/H；設置磁滯制動器施加的負載扭矩在0～2 N·m之間，扭矩變化速率為0.4 N·m/H；進行實驗，實驗數據采集頻率為1 024 HZ。

試驗時，基于Ether CAT總線技術調控PC對扭矩傳感器、伺服驅動器、三綜合實驗箱等硬件進行控制，可以同時滿足對負載變化、響應變化和溫度變化的設定，從而達到實時控制PC調節伺服電機的多組運行曲線、監控三綜合實驗箱的溫度、采集伺服電機的扭矩等數據的要求。

2 測試系統設計

IRSS復雜工況測試的系統框圖如圖2所示。

圖2 IRSS復雜工況測試的試驗系統框圖

圖2中：(1)負載自動加載模塊對伺服電機的負載扭矩進行改變；(2)運動控制模塊對伺服電機的運行曲線進行調節；(3)溫度控制模塊對伺服電機試驗所需溫度進行控制；(4)數據采集與處理模塊對伺服電機的輸出數據進行采集和處理分析。

該系統在充分考慮測試原理的基礎上，基于Ether CAT技術，通過扭矩傳感器和伺服驅動器對伺服電機的輸出數據進行采集。

2.1 機械系統設計

試驗時，上位機通過PLC控制工業機器人伺服電機轉動，并帶動扭矩傳感器和磁滯制動器質量塊轉動；通過磁滯制動器勵磁電流的大小改變工業機器人伺服電機的負載扭矩，通過質量塊個數改變工業機器人伺服電機的負載慣量；扭矩傳感器對工業機器人伺服電機的輸出扭矩和輸出轉速測量；通過調節三綜合實驗箱的溫度大小模擬工業機器人工作時受到不同溫度應力情況。

本試驗系統圖如圖3所示。

圖3 試驗系統圖

2.2 電氣系統設計

工業機器人往往需要滿足負載扭矩突變和運動軌跡多變的要求，基于此，筆者設計了基于Ether CAT技術的自動化驅動裝置控制原理圖，如圖4所示。

圖4 伺服系統復雜工況測試系統控制原理圖

本系統基于Ether CAT技術，通過PC和PLC對負載扭矩、響應速度和環境溫度進行控制：

通過電流控制器輸出的勵磁電流對磁滯制動器的扭矩進行控制，實現對工業機器人伺服電機的負載調節；扭矩傳感器和數據采集儀實時采集負載扭矩的大小，并將測得的數據傳輸至PC；PC與PLC、PLC與伺服驅動器通過總線通信控制方式連接，對工業機器人伺服電機的響應進行控制，完成對運動曲線的設定和運動指令的自動切換；PLC通過AD擴展模塊與三綜合實驗箱連接，實現對溫度應力的自動調節。

本測試系統硬件配置及其性能如表1所示。

表1 PLC控制系統硬件配置

2.3 控制軟件設計

主控單元采用DVP-50MC11T-06系列的PLC，其主要功能是按照Ether CAT通信協議，對上位機傳遞的指令接收和解析，控制伺服電機的不同運行曲線及對試驗溫度進行設定；數據采集完畢后通過USB接口傳輸至上位機，完成通信。

(1)響應特性環節流程。

DVP-50MC11T-06系列PLC采用CAN open Builder軟件進行編程，通過上位機控制不同運行曲線的切換；

將測試系統連接后，進行伺服電機點動測試；其次，對伺服電機的運行規律設置，設置的參數有運動加速度、勻速段速度以及運動方向，設定的運行規律有變周期性正反轉運行、急停急轉運行等，每組實驗完成后通過PC調節伺服系統自動進入下一運行曲線。

(2)環境適應性流程。

基于PLC，通過AD轉換模塊對三綜合實驗箱的溫度進行調節，設定三綜合實驗箱的溫度變化范圍、變化步長、變化速率等參數。

(3)數據處理流程。

采集的數據主要有扭矩傳感器和數據采集儀采集的輸出扭矩、輸出轉速和伺服驅動器采集的輸出轉速、輸出電流；將試驗數據傳輸至PC后，通過計算軟件分析伺服電機的輸出數據；每次試驗采集5組數據取平均值，保證數據的穩定性。

3 試驗與結果分析

3.1 試驗

依據前述基于Ether CAT技術測出的實驗數據，筆者選取了不同工況下的試驗數據，經過處理得到數據的最大值、最小值、平均值。

工業機器人伺服電機正轉運行時隨工況變化電流數據如表2所示。

表2 伺服電機正轉運行時隨工況變化電流數據

3.1.1 工作特性測試試驗

筆者選取不同負載下的實驗數據，得到勻速段的轉速電流值，繪制負載質量-轉速/電流圖，如圖5所示。

圖5 轉速和電流隨負載質量變化曲線圖

從圖5可以看出：當伺服電機負載變化時，工業機器人伺服電機正轉時的輸出電流均值降幅為46.21%，最大值降幅為91.95%；且隨著負載增大，電流呈現明顯上升的趨勢。

3.1.2 響應特性測試試驗

筆者選取不同勻速段運行速度下的實驗數據，得到勻速段的轉速電流值，繪制轉速-電流圖如圖6所示。

圖6 電流隨轉速變化曲線圖

從圖6可以看出：當工業機器人伺服電機勻速運行轉速分別為3 000 r/min和1 000 r/min，其正轉時的輸出電流均值降幅為27.16%，最大值降幅為20%；且隨著勻速運行轉速增大，電流呈現明顯上升的趨勢。

3.1.3 環境適應性測試試驗

筆者選取不同環境溫度工況下的實驗數據，得到勻速段的轉速電流值，繪制溫度-轉速/電流圖，如圖7所示。

圖7 轉速和電流隨溫度變化曲線圖

圖7中，當工業機器人伺服電機工作環境溫度為-20 ℃和70 ℃，工業機器人伺服電機正轉時的輸出電流降幅為44.14%，最大值降幅為13.95%；且隨著環境溫度升高，電流呈現明顯下降的趨勢。

3.2 分析與討論

由以上分析可知：隨著負載增大、勻速運行轉速增大、環境溫度降低，工業機器人伺服電機的輸出電流呈現明顯上升的趨勢。其原因是工業機器人伺服電機工作環境變化時，受自身“電流-速度-位移”三環調節特性的影響，會快速響應至新的平衡點，從而導致繞組電流瞬時劇烈變化。

為了避免出現上述情況，在實際運行中，工業機器人應盡量工作在最適工況條件下。

4 結束語

本研究提出了一種基于Ether CAT的總線技術，對IRSS進行服役性能綜合性評測的試驗系統；介紹了其工作特性測試、響應特性測試和環境適應性測試原理，并進行了相應的服役性能測試。

研究結果表明：隨著工業機器人伺服電機負載、勻速運行速度的不同，以及環境溫度的不同，其輸出電流也呈現明顯的變化趨勢。這一變化趨勢可有效、客觀地檢測IRSS的服役性能，指導工業機器人輔助加工系統的設計。