交流伺服電機系統(tǒng)測試平臺的研究與應用

摘要：文中介紹了交流伺服電機系統(tǒng)相關(guān)標準及測試項目，設計搭建了交流伺服電機系統(tǒng)測試平臺，并在測試平臺上進行測試，能夠滿足交流伺服電機的相關(guān)測試要求。

關(guān)鍵詞：交流伺服電機系統(tǒng)；測試平臺；性能測試

Research and Application of Test Platform for AC Servo Motor System

HUANG Bixia

（Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality， Fuzhou 350015， Fujian， China）

Abstract： In this paper，the standards and test items related to AC servo motor system are introduced， and the AC servo motor system test platform is designed and built. And the test is carried on the test platform which can meet the relevant test requirements of AC servo motor.

Key Words：" AC servo motor system; Test platform; Performance test

0引言

隨著智能制造、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代技術(shù)的快速發(fā)展，智能機器人、數(shù)控機床等行業(yè)作為高端裝備制造產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，必將在未來得到更多的政策扶持，實現(xiàn)更快的發(fā)展，并勢必會帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是作為其核心零部件之一的伺服電機系統(tǒng)，也將進入新的發(fā)展階段，同時對伺服電機系統(tǒng)提出更高的要求。在伺服電機系統(tǒng)設計或選型階段，若能對電機的性能、控制效果進行測試，將有助于產(chǎn)品的設計或選型，大大縮短電機研發(fā)、調(diào)試時間，并能提高系統(tǒng)性能。

1交流伺服電機系統(tǒng)相關(guān)標準要求及

測試項目

伺服電機系統(tǒng)是指以伺服電動機作為執(zhí)行元件，使物體的位置/角度、速度、加速度或轉(zhuǎn)矩等狀態(tài)變量能夠跟隨輸入控制信號目標值（或給定值）任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器、伺服電動機和傳感器三個部分組成。伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動元件劃分，有直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)。

目前交流伺服電機系統(tǒng)相關(guān)行業(yè)標準包括：GB/T 16439-2009《交流伺服系統(tǒng)通用技術(shù)條件》、GB/T 7344-2015《交流伺服電動機通用技術(shù)條件》、GB/T 30549-2014《永磁交流伺服電動機通用技術(shù)條件》等。這些標準針對“交流伺服系統(tǒng)”“交流伺服電機”“永磁交流伺服電機”產(chǎn)品主要涉及的項目如表1所示[1，2，3]。

2交流伺服電機系統(tǒng)測試平臺方案設計

2.1試驗系統(tǒng)組成及主要特點

由于交流伺服電機系統(tǒng)不同于普通的電動機，在動態(tài)性能方面有更高的要求，要求測試平臺精度高、響應快、可靠性高、運行穩(wěn)定度強，因此測試控制系統(tǒng)應能實現(xiàn)實時控制、采集、存儲，而且響應快。交流伺服電機系統(tǒng)測試平臺組成框圖如圖1所示。

該測試平臺由功率分析儀（含6通道功率模塊+1通道電機模塊）、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、伺服負載電機及配套的交流伺服驅(qū)動器、溫度測量儀、計算機測控系統(tǒng)及機械臺架等組成。

系統(tǒng)具有以下主要特點：

1）響應快、控制精度高

伺服電機及系統(tǒng)的動態(tài)性能試驗項目，如轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速波動試驗、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變化響應時間等，均要求響應快（轉(zhuǎn)動慣量小）、精度高（定位準），比其他類型電機試驗要求高很多，因此本系統(tǒng)選用控制精度高、響應速度快的西門子交流伺服驅(qū)動器及伺服負載電機進行精確的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速控制，試驗系統(tǒng)可運行在四象限狀態(tài)下（滿足伺服電機正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、正向加載/反向加載、加速/制動等工況要求）、響應快、精度高。

2）測量精度高，頻帶寬

伺服電機系統(tǒng)電參量不同于工頻電量，伺服電機輸入端一般為非正弦電量，因此配置精度高、頻帶寬的PWM寬頻高精度功率分析儀。

伺服電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩范圍比較寬，轉(zhuǎn)速從0到最高轉(zhuǎn)速可高達10000r/min以上，轉(zhuǎn)矩從0到峰值轉(zhuǎn)矩（峰值轉(zhuǎn)矩可達2倍額定轉(zhuǎn)矩以上），因此配置進口高轉(zhuǎn)速、雙量程的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，以滿足伺服電機大跨度轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測試精度要求。

3）系統(tǒng)運行穩(wěn)定度高

系統(tǒng)控制穩(wěn)定度高，可以在全程轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)保持極高的穩(wěn)定度（0.1%～0.3%）。

系統(tǒng)可通過上位機運用雙閉環(huán)數(shù)字PID控制實現(xiàn)伺服負載電機系統(tǒng)的恒轉(zhuǎn)矩和恒轉(zhuǎn)速控制。

2.2測試系統(tǒng)設計與選型

2.2.1交流伺服負載電機

考慮伺服電機系統(tǒng)要求控制精度高、響應快的特點，傳統(tǒng)測功機（如磁粉、磁滯、渦流）負載因只能控制轉(zhuǎn)矩輸出，無法滿足伺服電機的試驗需求，故選用集矢量變頻、伺服為一體的西門子交流伺服驅(qū)動器及低慣量、高響應的伺服負載電機，作為加載電機。該負載電機主要參數(shù)為：額定功率10kW，額定轉(zhuǎn)矩55N.m，額定轉(zhuǎn)速1750r/min，最高轉(zhuǎn)速12000r/min，額定電流22.0A，最大電流54A，峰值轉(zhuǎn)矩：135N.m；電機特性曲線如圖2所示。該電機集伺服、變頻、矢量控制于一體，額定轉(zhuǎn)速下能恒轉(zhuǎn)矩控制加載，低轉(zhuǎn)速時也能穩(wěn)定加載，額定轉(zhuǎn)速以上恒功率控制加載，可實現(xiàn)四象限運行，滿足伺服電機任意復雜工況的要求；加載控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應快，響應時間2～5ms，加載穩(wěn)定度0.2%，能夠滿足伺服電機試驗的各種跟蹤、響應、精度的試驗要求。

2.2.2轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速是伺服電機及系統(tǒng)測試中最重要的測量參數(shù)，為保證其測量范圍大且精度高的要求，選用進口品牌具有雙量程測量功能、高轉(zhuǎn)速、高精度、高動態(tài)響應的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，其額定轉(zhuǎn)矩為50N.m/10N.m，對應的精度為0.1級/0.2級，額定轉(zhuǎn)速為12000r/min。同時測控系統(tǒng)配置快速轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速檢測模塊，以滿足高動態(tài)響應檢測需要。

2.2.3功率分析儀

測量儀表選擇0.1級寬頻帶的高精度功率分析儀，配置6通道電參數(shù)測量模塊（測量電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率等）和1個通道的電機檢測模塊接口（采集轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速），電壓量程1000V，電流量程50A，頻率帶寬為0～100kHz。3通道測量被試電機驅(qū)動器輸入端電參量，另外3通道測量被試電機輸入端電參量。儀器能實時采集并顯示測量結(jié)果，并對測量結(jié)果進行運算、波形數(shù)據(jù)顯示、趨勢曲線顯示、諧波分析等操作。

2.2.4計算機測控系統(tǒng)

計算機測控系統(tǒng)，作為伺服電機測試過程中最核心的控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由測量采集及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)與計算機控制的上位機系統(tǒng)構(gòu)成，通過網(wǎng)絡通訊接口連接至測量儀表，對被試電機的參數(shù)進行測量采集，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能。控制系統(tǒng)采用西門子S7系列PLC集中控制處理，PLC通過PROFINET與變頻驅(qū)動器通訊，實現(xiàn)對負載電機工作模式的快速控制，實現(xiàn)四象限運行，驅(qū)動、加載或恒轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)速控制任意切換，如圖3所示；同時PLC對設備電器運行監(jiān)控，出現(xiàn)故障或超速、超量程范圍時限制設備運行，停機并發(fā)出聲光報警。

3 相關(guān)性能測試項目及測試結(jié)果

3.1轉(zhuǎn)速波動測試

GB/T 16439-2009標準第5.14條款規(guī)定，伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)速波動是指伺服系統(tǒng)工作在速度控制模式下，在額定轉(zhuǎn)速、空載條件下，穩(wěn)態(tài)運行，記錄轉(zhuǎn)速，找出最大轉(zhuǎn)速max與最小轉(zhuǎn)速min，通過計算得到，如式（1）[1]。

測試時，將轉(zhuǎn)速設置為1500r/min，啟動電機，運行穩(wěn)定，記錄轉(zhuǎn)速曲線，測試曲線如圖4所示。

由圖4可知，最大轉(zhuǎn)速max為：1500.089r/min，最小轉(zhuǎn)速min為：1500.025r/min，則轉(zhuǎn)速波動系數(shù)為0.002%。

3.2 轉(zhuǎn)矩波動測試

GB/T 16439-2009標準第5.13條款規(guī)定，伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩波動是指伺服系統(tǒng)在給定轉(zhuǎn)速下，穩(wěn)態(tài)運行時，對電動機施加連續(xù)工作區(qū)中規(guī)定的最大轉(zhuǎn)矩（恒定負載），測量并記錄電動機在一圈中輸出轉(zhuǎn)矩，找出最大轉(zhuǎn)矩max和最小轉(zhuǎn)矩min，計算轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)，如式（2）。

測試時，將轉(zhuǎn)速設置為1500r/min，啟動電機，通過計算機設置加載量，自動加載，運行穩(wěn)定，記錄轉(zhuǎn)矩曲線，測試曲線如圖5所示。

由圖5可知，最大轉(zhuǎn)矩max為：3.8977N.m，最小轉(zhuǎn)矩min為：3.8869N.m，則轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)為0.14%。

3.3 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

測試時，將轉(zhuǎn)速設置為1500r/min，啟動電機，加載到額定轉(zhuǎn)矩，逐步減少轉(zhuǎn)速，保持加載量不變，記錄轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線，測試曲線如圖6所示。

3.4負載變化的轉(zhuǎn)速調(diào)整率

GB/T 16439-2009標準第3.9條款規(guī)定，負載變化的轉(zhuǎn)速調(diào)整率，為伺服系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速N條件下，僅負載變化，電動機轉(zhuǎn)速變化值與額定轉(zhuǎn)速的百分比，即轉(zhuǎn)速調(diào)整率為：

式中，i為電動機的實際轉(zhuǎn)速。

測試時，在空載條件下，啟動電機，將伺服電動機轉(zhuǎn)速調(diào)至額定轉(zhuǎn)速1500r/min，然后逐步加載到額定負載，記錄此時電動機實際轉(zhuǎn)速為1499.953r/min，根據(jù)公式計算得到負載變化時的轉(zhuǎn)速調(diào)整率為0.003%，測試曲線如圖7所示。

4結(jié)語

文中分析了交流伺服電機系統(tǒng)的標準、測試要求，設計搭建了交流伺服電機系統(tǒng)的測試平臺，并利用此測試平臺進行了相關(guān)測試，能夠滿足交流伺服電機的測試要求。

參考文獻

[1]交流伺服系統(tǒng)通用技術(shù)條件：GB/T 16439-2009[S].

[2]交流伺服電動機通用技術(shù)條件： GB/T 7344-2015[S].

[3]永磁交流伺服電動機通用技術(shù)條件：GB/T 30549-2014[S].

收稿日期：2022-06-21

作者簡介：黃碧霞，女，福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，高級工程師，碩士