數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動模塊與電動機(jī)的性能測試技術(shù)分析

孫堅(jiān)

摘 要：近年來，我國電動機(jī)單元應(yīng)用發(fā)展迅速，各種伺服驅(qū)動及電動機(jī)逐漸規(guī)?；?，關(guān)于數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域中的電動機(jī)單元性能測試試驗(yàn)規(guī)范依次完善，對提升電動機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量具有積極意義。本文對數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動模塊與電動機(jī)性能指標(biāo)進(jìn)行概述，分析動態(tài)性能和靜態(tài)性能對伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，隨后開展各項(xiàng)性能測試技術(shù)展開性能測試，以期為伺服電動機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供一定參考。

關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動模塊;電動機(jī);性能指標(biāo);性能測試技術(shù);負(fù)載試驗(yàn)

2015年初，《數(shù)控機(jī)床用伺服驅(qū)動及電動機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)范》研討會召開，對數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)備及系統(tǒng)用交流驅(qū)動單元性能試驗(yàn)規(guī)范制定標(biāo)準(zhǔn)化一般性要求，以滿足不同類型交流伺服驅(qū)動單元性能試驗(yàn)，如過載能力、齒槽定位轉(zhuǎn)矩等。本文以實(shí)際案例為準(zhǔn)，在遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，開展能夠滿足110kW最大功率的交流伺服系統(tǒng)、電機(jī)、永磁直流伺服同步電機(jī)型式試驗(yàn)，分別針對不帶伺服控制器和帶伺服控制器的交流伺服電機(jī)、永磁直流伺服同步電機(jī)，進(jìn)行直流母線和交流母線回饋方式的雙機(jī)對拖直接負(fù)載模式。

1 數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動模塊與電動機(jī)性能指標(biāo)

1.1 動態(tài)性能指標(biāo)

動態(tài)性能指標(biāo)主要包含自然頻率、阻尼比或者過渡時(shí)間、超調(diào)量等，在性能測試時(shí)需要對這些指標(biāo)一一展開測試，以保障最終產(chǎn)品質(zhì)量。其中，自然頻率指標(biāo)主要指在外部指令下達(dá)時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)的快慢速度，是系統(tǒng)無阻尼情況下自身的震蕩頻率，當(dāng)這一自然振蕩頻率越高，說明響應(yīng)速度越快，反之則越慢[1]。阻尼是使系統(tǒng)自然震動衰減的各種摩擦和阻礙作用，主要表達(dá)結(jié)構(gòu)體標(biāo)準(zhǔn)化的阻尼大小，一般可以用定義進(jìn)行計(jì)算，即;當(dāng)阻尼比越大，系統(tǒng)振蕩衰減速度越快，當(dāng)震蕩達(dá)到一定界值后，系統(tǒng)振蕩停止，響應(yīng)時(shí)間逐漸增加。

1.2 靜態(tài)性能指標(biāo)

靜態(tài)性能指標(biāo)，主要包含靜態(tài)剛度和靜態(tài)誤差兩方面。靜態(tài)剛度是靜荷載下抵抗變形的能力;靜態(tài)誤差涉及速度、誤差和加速度誤差，是期望輸出與實(shí)際輸出之間的差值。當(dāng)系統(tǒng)處于靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）時(shí)，其放大的倍數(shù)屬于穩(wěn)態(tài)增益，是減少系統(tǒng)誤差的根本原理。以速度誤差為例，在系統(tǒng)增益為（8-50）s-1的軟伺服系統(tǒng)中，速度環(huán)的閉環(huán)增益是系統(tǒng)增益的2至4倍，但其開環(huán)增益高達(dá)80至100。在性能測試時(shí)，必須設(shè)計(jì)配置適宜系統(tǒng)增益，才能保障伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能測試主要內(nèi)容

2.1 系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)

為滿足測試要求，系統(tǒng)平臺共配置六套伺服控制器，分別為1.6、16、46、71、132和250kW，各個控制器獨(dú)立運(yùn)行，能夠隨意組合分配，滿足不同功率的電機(jī)。系統(tǒng)由調(diào)壓器、功率分析儀、驅(qū)動控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、PLC控制器等組成，采用共直流母線傳輸和回饋方式開展性能測試。

2.2 性能測試主要內(nèi)容

負(fù)載試驗(yàn)?；赑LC自動控制的伺服電機(jī)測試平臺，采用渦流制動器進(jìn)行模擬加載負(fù)載試驗(yàn)，對減速齒輪組轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，以滿足伺服電機(jī)和制動器的轉(zhuǎn)速。具體測試流程為，利用PLC模擬量循環(huán)輸出0～10V電壓，并使伺服電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，切換加載與空載狀態(tài)，利用電機(jī)為保持轉(zhuǎn)速為增加輸出力矩這一特性，確定轉(zhuǎn)速、渦流制動器、轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出參數(shù)，最終分析得出最接近真實(shí)負(fù)載情況下的負(fù)載性能[2]。

靜態(tài)剛度試驗(yàn)。具體測試流程為將位置伺服系統(tǒng)設(shè)定在空載零速鎖定狀態(tài)，借助傳感器確定電動機(jī)軸角位置，確定其為零位;然后，在負(fù)載側(cè)施加正向轉(zhuǎn)矩或者反向轉(zhuǎn)矩，重新利用傳感器測量電動機(jī)軸角位置，計(jì)算其偏移量和電機(jī)靜態(tài)剛度;最后，將負(fù)載釋放，改變電機(jī)軸角位置。將以上步驟重復(fù)三次，分別施加三次正向轉(zhuǎn)矩和反向轉(zhuǎn)矩，共獲得六次試驗(yàn)檢測數(shù)值，取最大值。

溫升試驗(yàn)。溫升試驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)測試對象，如伺服驅(qū)動器或者伺服電機(jī)在不同試驗(yàn)項(xiàng)目中的電參數(shù)、機(jī)械參數(shù)、各布設(shè)點(diǎn)溫度參數(shù)等詳細(xì)記錄下來，并通過系統(tǒng)自動生成各參數(shù)在不同時(shí)間段的變化曲線[3]。

轉(zhuǎn)矩變化的時(shí)間響應(yīng)試驗(yàn)。提前設(shè)置伺服驅(qū)動模塊與電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為0.5倍，在其穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突然施加0.5倍連續(xù)工作區(qū)的最大轉(zhuǎn)矩，穩(wěn)定后突然將負(fù)載轉(zhuǎn)矩卸載。在試驗(yàn)中，確保這一過程被示波器全程記錄，并自動生成轉(zhuǎn)矩變化的時(shí)間響應(yīng)曲線，獲得最大瞬態(tài)偏差和恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)轉(zhuǎn)速為700r/min時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由1突變至4N？m，速度和扭矩響應(yīng)特性曲線圖。

3 結(jié)束語

總之，性能測試是保障伺服驅(qū)動模塊與電動機(jī)性能行之有效的措施，相關(guān)人員需要不斷加強(qiáng)對其工作原理和性能的了解，在遵循相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)新的測試技術(shù)和方法，為電機(jī)改良與發(fā)展提供充足理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李天奕， 向薈羽， 沃松林，等. 基于DSP的交流伺服電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計(jì)[J]. 江蘇理工學(xué)院學(xué)報(bào)， 2019（2）.

[2]樊茜， 何雨昂， 吳非，等. 多控制模塊伺服控制驅(qū)動軟件的配置項(xiàng)測試方法[J]. 電子技術(shù)與軟件工程， 2019， （017）：P.42-42.

[3]高杰. 電機(jī)驅(qū)動與控制系統(tǒng)測調(diào)軟件平臺研制[D]. 西安電子科技大學(xué)， 2020.