孫堅

摘 要：近年來，我國電動機單元應(yīng)用發(fā)展迅速，各種伺服驅(qū)動及電動機逐漸規(guī)?；?，關(guān)于數(shù)控機床領(lǐng)域中的電動機單元性能測試試驗規(guī)范依次完善，對提升電動機產(chǎn)品質(zhì)量具有積極意義。本文對數(shù)控機床伺服驅(qū)動模塊與電動機性能指標進行概述，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，隨后開展各項性能測試技術(shù)展開性能測試，以期為伺服電動機產(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;性能指標;性能測試技術(shù);負載試驗

2015年初，《數(shù)控機床用伺服驅(qū)動及電動機性能試驗規(guī)范》研討會召開，對數(shù)控機床電氣設(shè)備及系統(tǒng)用交流驅(qū)動單元性能試驗規(guī)范制定標準化一般性要求，以滿足不同類型交流伺服驅(qū)動單元性能試驗，如過載能力、齒槽定位轉(zhuǎn)矩等。本文以實際案例為準，在遵循相關(guān)標準的基礎(chǔ)上，開展能夠滿足110kW最大功率的交流伺服系統(tǒng)、電機、永磁直流伺服同步電機型式試驗，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、永磁直流伺服同步電機，進行直流母線和交流母線回饋方式的雙機對拖直接負載模式。

1 數(shù)控機床伺服驅(qū)動模塊與電動機性能指標

1.1 動態(tài)性能指標

動態(tài)性能指標主要包含自然頻率、阻尼比或者過渡時間、超調(diào)量等，在性能測試時需要對這些指標一一展開測試，以保障最終產(chǎn)品質(zhì)量。其中，自然頻率指標主要指在外部指令下達時，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，主要表達結(jié)構(gòu)體標準化的阻尼大小，一般可以用定義進行計算，即;當阻尼比越大，系統(tǒng)振蕩衰減速度越快，當震蕩達到一定界值后，系統(tǒng)振蕩停止，響應(yīng)時間逐漸增加。

1.2 靜態(tài)性能指標

靜態(tài)性能指標，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，是期望輸出與實際輸出之間的差值。當系統(tǒng)處于靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）時，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80至100。在性能測試時，必須設(shè)計配置適宜系統(tǒng)增益，才能保障伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)設(shè)計及性能測試主要內(nèi)容

2.1 系統(tǒng)平臺設(shè)計

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，各個控制器獨立運行，能夠隨意組合分配，滿足不同功率的電機。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

負載試驗?；赑LC自動控制的伺服電機測試平臺，采用渦流制動器進行模擬加載負載試驗，對減速齒輪組轉(zhuǎn)速進行設(shè)計調(diào)整，以滿足伺服電機和制動器的轉(zhuǎn)速。具體測試流程為，利用PLC模擬量循環(huán)輸出0～10V電壓，并使伺服電機在不同轉(zhuǎn)速下進行運轉(zhuǎn)，切換加載與空載狀態(tài)，利用電機為保持轉(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負載情況下的負載性能[2]。

靜態(tài)剛度試驗。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軸角位置，確定其為零位;然后，在負載側(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軸角位置，計算其偏移量和電機靜態(tài)剛度;最后，將負載釋放，改變電機軸角位置。將以上步驟重復三次，分別施加三次正向轉(zhuǎn)矩和反向轉(zhuǎn)矩，共獲得六次試驗檢測數(shù)值，取最大值。

溫升試驗。溫升試驗，將實驗測試對象，如伺服驅(qū)動器或者伺服電機在不同試驗項目中的電參數(shù)、機械參數(shù)、各布設(shè)點溫度參數(shù)等詳細記錄下來，并通過系統(tǒng)自動生成各參數(shù)在不同時間段的變化曲線[3]。

轉(zhuǎn)矩變化的時間響應(yīng)試驗。提前設(shè)置伺服驅(qū)動模塊與電動機的額定轉(zhuǎn)矩為0.5倍，在其穩(wěn)定運行時，突然施加0.5倍連續(xù)工作區(qū)的最大轉(zhuǎn)矩，穩(wěn)定后突然將負載轉(zhuǎn)矩卸載。在試驗中，確保這一過程被示波器全程記錄，并自動生成轉(zhuǎn)矩變化的時間響應(yīng)曲線，獲得最大瞬態(tài)偏差和恢復時間。當轉(zhuǎn)速為700r/min時，負載轉(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)動模塊與電動機性能行之有效的措施，相關(guān)人員需要不斷加強對其工作原理和性能的了解，在遵循相關(guān)技術(shù)標準的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)新的測試技術(shù)和方法，為電機改良與發(fā)展提供充足理論依據(jù)。

參考文獻：

[1]李天奕， 向薈羽， 沃松林，等. 基于DSP的交流伺服電機驅(qū)動器的設(shè)計[J]. 江蘇理工學院學報， 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， 2020.