伺服系統(tǒng)特性分析與檢測平臺的設(shè)計與應(yīng)用

1、伺服系統(tǒng)特性分析與檢測平臺的設(shè)計與應(yīng)用    摘要：采用交流測功機設(shè)計的一種新型伺服系統(tǒng)特性分析與檢測平臺，實現(xiàn)了伺服電機與伺服驅(qū)動器的集成檢測。獨創(chuàng)的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略和可編程交流測功機控制器的運用，實現(xiàn)了DTC直接轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的完美結(jié)合，極大的提高了測控系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)響應(yīng)特性，為實驗室和生產(chǎn)線應(yīng)用的提供了一套技術(shù)先進、功能齊全、操作簡單、使用方便的智能儀器。在測試精度、測試速度、測試方法和操作使用等方面都大大優(yōu)于傳統(tǒng)的電機測試摘 要：采用交流測功機設(shè)計的一種新型伺服系統(tǒng)特性分析與檢測平臺，實現(xiàn)了伺服電機與伺服驅(qū)動器的集成檢測。

2、獨創(chuàng)的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略和可編程交流測功機控制器的運用，實現(xiàn)了DTC直接轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的完美結(jié)合，極大的提高了測控系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)響應(yīng)特性，為實驗室和生產(chǎn)線應(yīng)用的提供了一套技術(shù)先進、功能齊全、操作簡單、使用方便的智能儀器。在測試精度、測試速度、測試方法和操作使用等方面都大大優(yōu)于傳統(tǒng)的電機測試平臺，并有廣泛的通用性、靈活性和實用性。0 引 言：好功夫是練出來的，好產(chǎn)品是驗出來的      伺服技術(shù)即高精度的跟蹤與定位技術(shù)，廣泛應(yīng)用于雷達、飛機、坦克、火炮、艦船等國防軍事裝備以及數(shù)控機床、機器人和生產(chǎn)線等工業(yè)自動化領(lǐng)域

3、。按照電機來分類，主要有直流伺服系統(tǒng)，交流伺服系統(tǒng)和步進伺服系統(tǒng)三種。交流伺服是目前的主導(dǎo)產(chǎn)品，也是未來的發(fā)展方向。隨著伺服技術(shù)的不斷發(fā)展和現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，各個行業(yè)對伺服系統(tǒng)的需求日益增大，并對其性能提出了更高的要求。因此積極研發(fā)和制造高性能、高可靠性的新型交流伺服是各工業(yè)國家競相努力的目標(biāo)，對國家的現(xiàn)代化工業(yè)建設(shè)和國防建設(shè)都有著十分重要的意義。      在大力開展新的伺服產(chǎn)品研制和改進生產(chǎn)工藝的同時，加強伺服系統(tǒng)測試技術(shù)的研究和檢測平臺的建設(shè)尤為重要。俗話說，好功夫是練出來的，好產(chǎn)品是驗出來的。只有在先進的檢測平臺上對伺服系統(tǒng)進行

4、集成評測，以獨立、客觀、科學(xué)、實用的測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，才能把握產(chǎn)品的真實資料，確保我們的伺服產(chǎn)品達到設(shè)計的要求，為伺服系統(tǒng)的設(shè)計改進提出合理的建議。本文介紹重慶高標(biāo)科技有限公司專門為交流伺服系統(tǒng)量身定制的特性分析與檢測平臺的設(shè)計與應(yīng)用。該平臺采用了先進的交流測功機技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、計算機虛擬儀器以及高標(biāo)公司獨創(chuàng)的轉(zhuǎn)矩控制策略，實現(xiàn)了交流測功機直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）與轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的完美結(jié)合，極大的提高了測控系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)響應(yīng)特性，為交流伺服系統(tǒng)的特性分析和參數(shù)測試提供了先進的檢測手段和測控方案。      本系統(tǒng)首次使用了高標(biāo)

5、公司最新研制的 D8001 型高速可編程交流測功機控制器，為檢測平臺的測量與控制提供了一套性能優(yōu)良、功能齊全、操作簡單、使用方便的智能儀器，并具有廣泛的通用性、靈活性和實用性。因此，本系統(tǒng)也適用于其它伺服系統(tǒng)、特種電機以及汽車摩托車航空航天兵器等裝備中的零部件以及產(chǎn)品的快速合格與不合格檢驗。1 伺服分析不是測電機1.1 伺服系統(tǒng)的主要特性      交流伺服的性能和技術(shù)指標(biāo)可以從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動態(tài)響應(yīng)和運行穩(wěn)定性等幾個方面來衡量，其最大的特點是：“穩(wěn)、準、快”，即穩(wěn)定性好、精確度高和響應(yīng)速度快。（1）

6、0;調(diào)速范圍大，且?guī)缀踉谡麄€轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩輸出。低檔的伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍在1：1,000以上，一般的在1：5,0001：10,000，高性能的可以達到1：100,000 以上。（2） 定位精度高，低速轉(zhuǎn)矩脈動小。伺服系統(tǒng)的定位精度一般都要達到 ±1 個脈沖，穩(wěn)速精度，尤其是低速下的穩(wěn)速精度很好。比如給定 1rpm 時，一般的誤差在 ±0.1rpm 以內(nèi)，高性能的可以達到 ±0.01rpm 以內(nèi)。（3） 動態(tài)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)動慣量小。衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的指標(biāo)是系統(tǒng)的最高響應(yīng)頻率，即給定最高頻率的正弦速度指令，系統(tǒng)輸出速度波形的相位滯后不超過 90&

7、#176; 或者幅值不小于50%。進口三菱伺服電機 MR-J3 系列的響應(yīng)頻率高達 900Hz，國內(nèi)主流產(chǎn)品的響應(yīng)頻率一般在 200500Hz。（4） 運行穩(wěn)定性方面主要是指系統(tǒng)在電壓波動、負載波動、電機參數(shù)變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾、以及其它特殊運行條件下，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行并保證一定的性能指標(biāo)的能力。（5） 功率密度大，體積小。常用的功率范圍小于15kW，電機規(guī)格從 60 到 190。1.2 傳統(tǒng)的測試方法和存在的問題      伺服系統(tǒng)是數(shù)控設(shè)備之運動控制的最終執(zhí)行機構(gòu)，其工作性能的優(yōu)劣對數(shù)控設(shè)備的

8、精度有直接的影響。而伺服系統(tǒng)的主要特性和參數(shù)與負載有密切的關(guān)系。因此，只有在帶有負載情況下進行在線調(diào)試，才能保證伺服系統(tǒng)的各項靜態(tài)和動態(tài)性能，使其工作于最佳狀態(tài)。      目前伺服系統(tǒng)的生產(chǎn)單位和系統(tǒng)集成廠家均缺少對伺服系統(tǒng)進行帶載動態(tài)性能分析和在線調(diào)試的試驗設(shè)備和檢測手段，普遍根據(jù)個人的經(jīng)驗進行調(diào)試，模擬加載平臺主要是數(shù)控機床或傳統(tǒng)的電機測試設(shè)備。這種調(diào)試方法盲目性大，調(diào)試周期長，很難保證伺服系統(tǒng)的各個參數(shù)整定到最佳狀態(tài)。      在數(shù)控機床上進行模擬加載試驗是不得已的辦法，而傳統(tǒng)的電機測

9、試設(shè)備主要是用于電機的參數(shù)測試和產(chǎn)品檢驗，設(shè)備的功能設(shè)計、技術(shù)參數(shù)以及測試軟件都是根據(jù)電機的技術(shù)規(guī)范而不是電機與控制系統(tǒng)的集成檢測而設(shè)計的。簡單的穩(wěn)態(tài)試驗，固定的加載模式以及有限數(shù)量的采集數(shù)據(jù)，對全面分析伺服系統(tǒng)的特性是遠遠不夠的。1.3 什么是伺服分析？      測試是分析的基礎(chǔ)，分析又是調(diào)試的基礎(chǔ)。想要實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的準確調(diào)試，必須進行伺服系統(tǒng)的特性分析。而要進行全面的伺服特性分析，首先要對伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)以及瞬態(tài)性能進行全面的測試。因此，伺服特性分析以及調(diào)試技術(shù)的研究，就是尋找對伺服系統(tǒng)進行動態(tài)性能測試和分析的方法以及實現(xiàn)在

10、線調(diào)試伺服系統(tǒng)的技術(shù)。      伺服分析是伺服系統(tǒng)特性分析的簡稱，是伺服電機與伺服控制器性能參數(shù)的集成測試。伺服分析是在專用的伺服分析與檢測平臺上，通過對伺服電機和控制器進行各種加載試驗，包括靜態(tài)試驗、動態(tài)試驗、瞬態(tài)試驗、周期循環(huán)試驗以及堵轉(zhuǎn)、反拖等極限試驗。在試驗過程中，具有高速數(shù)據(jù)采集能力的計算機實時監(jiān)測伺服電機的機械特性，包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率和效率等。根據(jù)實時記錄的數(shù)據(jù)表和波形圖來詳細的分析伺服系統(tǒng)的特性，特別是控制器參數(shù)對伺服系統(tǒng)特性的影響，為控制器的參數(shù)調(diào)整和設(shè)計改進提供依據(jù)。表 1 是伺服分析與電機測試的基本內(nèi)容和試驗方法的對比。

11、從表中我們可以看出，無論是試驗項目、測試參數(shù)、數(shù)據(jù)采集以及測試軟件，兩者都有很大的差異。此外，對于航空、航天和兵器裝備中的伺服系統(tǒng)應(yīng)用，還需要專門設(shè)計一些特殊的試驗項目，以滿足其特殊的需求。表1：伺服分析與電機測試對比主要內(nèi)容 伺服分析 電機測試設(shè)備用途 產(chǎn)品研發(fā) 產(chǎn)品檢驗應(yīng)用場合 實驗室和研發(fā)中心 生產(chǎn)線和質(zhì)檢站主要功能 伺服系統(tǒng)的集成特性分析 產(chǎn)品合格不合格檢驗試驗方法 特定的加載試驗 執(zhí)行國家標(biāo)準和產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范試驗結(jié)果 實時波形圖和數(shù)據(jù)表 電機測試報告1.4 

12、主要測試項目      伺服系統(tǒng)的特性分析包括系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩個方面。在測試與分析方面，系統(tǒng)靜態(tài)特性的測試和分析相對來說比較容易，而動態(tài)特性的測試和分析則要困難得多。在調(diào)試技術(shù)方面，離線調(diào)試比較容易實現(xiàn)，而帶負載的在線調(diào)試則困難得多。交流伺服系統(tǒng)測試與分析的主要內(nèi)容有以下各項。（1） 時域階躍響應(yīng)測試任意輸入基速、階躍量及運行時間的組合，測試階躍響應(yīng)特性，從而得到在不同負載條件下的超調(diào)量、上升時間 、振蕩次數(shù)等指標(biāo)。（2） 頻域特性測試輸入基速及正弦波的幅值，經(jīng)測量后可給出頻域特性曲線，從而得到標(biāo)稱角頻率、頻帶寬度

13、和諧振峰值等重要指標(biāo)。（3） 加載速降測試通過在不同轉(zhuǎn)速下的加載測試，可測得空載轉(zhuǎn)速 、加載轉(zhuǎn)速 、加載轉(zhuǎn)矩，從而得到不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)差率的大小。（4） 其它測試功能除了以上測試功能外，還可以對伺服系統(tǒng)的零漂、伺服增益、正反轉(zhuǎn)速差進行測試。測試過程自動完成，測試結(jié)果打印輸出。1.5 總體要求      目前，許多測功機、傳感器和電機測試設(shè)備的生產(chǎn)廠家都聲稱自己的設(shè)備可以做伺服分析。從試驗方法和測控設(shè)備來看，伺服分析和電機測試都是對電機進行加載試驗，測控設(shè)備也大同小異，包括測功機，扭矩傳感器，測功機控制器和電機測

14、試軟件等。但是，伺服分析對測控設(shè)備的總體要求與電機測試有很大的差異，其中加載裝置的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩控制精度是其關(guān)鍵技術(shù)和難點，包括快速性、準確性、穩(wěn)定性和可靠性等。（1） 快速性快速性反映了加載電機的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)特性，其技術(shù)指標(biāo)是加載轉(zhuǎn)矩從零到100% 額定轉(zhuǎn)矩的階躍上升時間。對伺服分析系統(tǒng)來說，要求動態(tài)響應(yīng)時間越短越好。在提供各種類型測試臺應(yīng)用的交流傳動方面，ABB變頻器享有極高的聲譽。由于采用了一種叫做 DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速技術(shù)，動態(tài)響應(yīng)時間小于 5 毫秒（最新資料公布的數(shù)據(jù)為 1.6 毫秒）。就目前所有的測功機技術(shù)而言，DTC 是無與倫比的。因此，我們認為只有 DT

15、C 交流測功機才能滿足伺服分析系統(tǒng)所需要的快速性。（2） 準確性做伺服分析，只有快速性是不夠的。還必須精確的控制加載電機的轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)準確的加載。加載電機的準確性和轉(zhuǎn)矩控制精度與測量范圍有關(guān)。常用伺服系統(tǒng)的功率一般在 15kW 以下，電機的額定轉(zhuǎn)矩從 2.2 Nm 到 50 Nm 不等，屬于小功率特種電機。如果要從最小的 2.2 Nm 開始到 50 Nm 系列的伺服電機進行加載試驗，加載轉(zhuǎn)矩控制的準確性必須達到 0.1Nm。按照 50Nm 為滿量程計算，轉(zhuǎn)矩控制精度就必須達到 0.2%。如何實現(xiàn)交流測功機精確的轉(zhuǎn)矩控制，一直是大家所研究的重要課題，也是一個很大的難題。由于種種原因，很多

16、廠家不愿意提及自己設(shè)備的控制精度，這對用戶是不負責(zé)任的。重慶高標(biāo)科技有限公司在 ABB 傳動部的大量支持與幫助下，經(jīng)過長期深入的研究與試驗，獨創(chuàng)了一種新的轉(zhuǎn)矩控制策略，解決了交流測功機的轉(zhuǎn)矩控制之難題，轉(zhuǎn)矩控制精度達到了 0.1%。從目前我們掌握的資料和信息來看，高標(biāo)公司的技術(shù)是最先進的。（3） 穩(wěn)定性傳統(tǒng)的磁粉制動器和磁滯測功機是中小型電機測試的主要加載裝置。這兩種測功機都屬于能量吸收型測功機，自身吸收的能量需要通過風(fēng)冷或水冷排出去，長時間加載運行將會由于內(nèi)部溫度升高而造成加載轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，從而影響加載試驗的重復(fù)性。此外，轉(zhuǎn)矩控制特性也不好。交流測功機是一種電力測功器，加載電機吸收的

17、能量可以通過變頻器消耗在外接的電阻器上，也可以直接回饋電網(wǎng)或被其它變頻器所利用。因此，在變頻器控制之下的加載電機發(fā)熱量很小，工作狀態(tài)非常穩(wěn)定，并且具有高效節(jié)能、高可靠性和免維護之特點。（4） 可靠性作為伺服分析系統(tǒng)，就如同醫(yī)院里的 CT 機和心電儀一樣，測量與控制必須非常的可靠，這樣才能提供準確的數(shù)據(jù)來進行伺服分析。伺服分析系統(tǒng)的可靠性來自多方面的性能和質(zhì)量保障，包括加載裝置的可靠性，測量信號的可靠性，數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換的可靠性以及機電傳動機構(gòu)的可靠性等。因此，需要從系統(tǒng)的各個方面來分析和確定系統(tǒng)的各項性能和參數(shù)，最終確保系統(tǒng)的可靠性。1.6 主要功能和技術(shù)指標(biāo) &#

18、160;    CMTS 1550 客制電機測試系統(tǒng)是重慶高標(biāo)公司為伺服分析而設(shè)計的一個定制設(shè)備，能夠進行 15 kW 以下伺服電機和伺服驅(qū)動器的集成檢測和特性分析。應(yīng)用場合以產(chǎn)品研發(fā)中心和實驗室為主，也可用于產(chǎn)品生產(chǎn)線。CMTS 1550 的總體性能達到了當(dāng)前電機測試的最高水平，其技術(shù)指標(biāo)可以作為伺服分析系統(tǒng)的典型數(shù)據(jù)。我們自己認為，如果缺少這些功能和達不到這些技術(shù)指標(biāo)，就不能算是伺服分析，而只能還是在測電機。n 被測電機規(guī)格：  60、80、90、110、130、150、190。n 模擬加載裝置：  

19、交流測功機，額定功率15 kW，額定矩扭50 Nm。n 轉(zhuǎn)矩控制模式：  直接轉(zhuǎn)矩控制（無扭矩傳感器）轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制（帶扭矩傳感器）。n 轉(zhuǎn)速控制模式：  轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制（帶轉(zhuǎn)速脈沖編碼器）。n 轉(zhuǎn)矩測量/反饋： 德國ETH扭矩傳感器，測量范圍050Nm，精度0.5%（滿量程），轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)時間（10% 到 90% 轉(zhuǎn)矩階躍上升時間）小于 2 ms。n 轉(zhuǎn)速測量/反饋： 增量式脈沖編碼器，每轉(zhuǎn)8,000個脈沖，轉(zhuǎn)速分辨率0.01 rpm。n 轉(zhuǎn)矩動態(tài)特性：  轉(zhuǎn)矩動態(tài)響

20、應(yīng)時間（0到100%額定轉(zhuǎn)矩階躍加載時間）小于5 ms。n 速度調(diào)節(jié)范圍：  主傳動軸 0 rpm6,000 rpm副傳動軸 0 rpm12,000 rpm。n 轉(zhuǎn)矩控制精度：  3%（開環(huán)）0.1%（閉環(huán)）。n 轉(zhuǎn)速控制精度：  0.1%（開環(huán)）0.01%（閉環(huán)）。2 平臺設(shè)計和主要設(shè)備2.1 測控系統(tǒng)設(shè)計要點      如何選用先進而可靠的測控設(shè)備來搭建一個測控系統(tǒng)，為用戶提供一套性能優(yōu)良，功能齊全，操作簡單，使用方便的測控儀器，是

21、我們研發(fā)伺服分析系統(tǒng)的設(shè)計要點和努力方向。      為了避免使用傳統(tǒng)的工業(yè)計算機、數(shù)據(jù)采集卡、單片機等來搭建測控系統(tǒng)的設(shè)計思路，提高測控設(shè)備的通用性、靈活性、可靠性和降低成本。我們學(xué)習(xí)和參考國外公司的先進設(shè)計理念，以我們自己研發(fā)的 D8001 型可編程交流測功機控制器為核心，對電機加載、數(shù)據(jù)采集、計算機通訊和測試軟件等進行了多方面的創(chuàng)新和改進。我們所使用的技術(shù)全部具有當(dāng)今世界電機測控的最高水平，包括最新的工業(yè)標(biāo)準技術(shù)、實驗室技術(shù)和自有知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)。伺服分析測控系統(tǒng)控制框圖如圖所示，全部測控設(shè)備實現(xiàn)了模塊化、柔性化和智能化。主要測控設(shè)備有：n&

22、#160;加載電機（三相交流異步電動機），額定功率 15 kW。n ABB 公司 ACS800 系列變頻器，能耗吸收型。n D8001 高速可編程交流測功機控制器，高標(biāo)公司新產(chǎn)品。n 德國 ETH 公司扭矩傳感器，量程 50 Nm，測量誤差小于 0.5%。n CMTS 8.0 電機測試軟件，用于計算機數(shù)據(jù)采集和分析處理。圖1：伺服分析測控系統(tǒng)控制框圖2.2 試驗臺架      交流伺服電機在外型和結(jié)構(gòu)上的特點是體積小，品種規(guī)格多，15kW以下交流伺服電機的規(guī)格就有60、80、90、110、130、150和190共七種。這就要求測試平臺必須兼容所有電機的安裝和定位，并且對軸連接的同心度、位置偏差、臺架振動以及快速安裝和拆卸等方面都有很高的要求。      為此，我們借鑒和參考了大量國內(nèi)外測試臺架，針對實驗室應(yīng)用的特點，設(shè)計了一款適應(yīng)多種電機安裝的組件式的試驗臺架。其特點是：布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊，工藝先進，使用方便。變頻器和能耗電阻安裝在臺架內(nèi)部，測試臺安裝的典型部件有：n 高強度重載荷鋁型材測試臺架。n 帶T型槽平板及加載電機安裝底