交流伺服電機性能測試平臺設計與應用研究
2022-6-28 來源：武漢華中數(shù)控股份有限公司 作者：翟世欣 曾星
隨著中國智能制造 2025 戰(zhàn)略的提出以及電機工業(yè)的迅速發(fā)展，行業(yè)內(nèi)對于交流伺服電機的性能指標提出了更多以及更高的要求，在電機廠商層面，除了對電機的磁路仿真設計、工藝路線進行研究以外，往往缺失的是對新產(chǎn)品樣機大批量的關鍵性能與理論仿真的驗證 ; 在配套主機廠層面，隨著電機選型品種繁多、應用層面廣、性能參數(shù)多、知識層面寬泛，且對應不同應用場合對性能的偏重點也不同，這些問題都對電機性能測試技術有了更高的要求。對此，需要形成全面的評價標準和準確的測試手段，因而，開發(fā)一套交流伺服電機性能測試平臺顯得尤為重要。
一、測試平臺總體架構
基于高精度高響應自主研發(fā)高響應高精度伺服電機作為負載，采用高性能自主驅(qū)動控制單元的轉(zhuǎn)矩、速度閉環(huán)控制策略，以及成熟穩(wěn)定的電網(wǎng)回饋方案，既能實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速下的持續(xù)扭矩輸出，又在節(jié)能環(huán)保方面獨樹一幟。具有其它測功機無法比擬的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應以及優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制特性，提升了電機性能測試的高效節(jié)能及高可靠性。采用浮動式轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，大幅增大轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩采樣準確性。該測試平臺實現(xiàn)了傳統(tǒng)靜態(tài)測功機無法進行的測控方案，如能量回饋、瞬態(tài)加載、反向拖動、轉(zhuǎn)速控制等。測試臺結構采用水平、垂直防震一體式臺架，被測電機 L 型板與測試臺面采用導軌安裝及導軌定位技術，保障了被測電機與傳感器間的同軸度。
圖 1 測試平臺整體架構圖
二、系統(tǒng)工作原理
測試系統(tǒng)由上位機軟件給驅(qū)動單元發(fā)出轉(zhuǎn)矩指令或速度指令空載負載電機加載，并由高精度傳感器上傳實時轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號、功率分析儀檢實時輸入輸出電流、電壓、功率、效率并通過PCI 數(shù)據(jù)采集卡上傳至控制軟件，軟件通過負載電機編碼器及采集卡數(shù)據(jù)信息進行閉環(huán)控制，并由控制軟件繪制所需實驗曲線，進行實驗數(shù)據(jù)處負載電機通過回饋模塊實現(xiàn)能源高品質(zhì)回收再利用。詳見圖 2 所示工作原理。
三、硬件設計
1. 負載電機選擇額定功率為 18.5Kw、額定轉(zhuǎn)速 1500rpm，最高轉(zhuǎn)速 10000rpm，額定電流為 43A 的異步電機 ;
2.選擇高精度200Nm數(shù)字轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速精度 ±0.5，轉(zhuǎn)矩精度 ±0.1，作為測量與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，傳感器必須具有快速、準確、可靠的性能。
圖 2 系統(tǒng)工作原理圖
3. 聯(lián)軸器選用高精度彈性聯(lián)軸器，保障同軸度穩(wěn)定性的同時，也能保障扭矩轉(zhuǎn)速的準確傳遞。
4. 能量回饋單元選用大容量能量回饋單元，全自動負載系統(tǒng)選用自主研發(fā)驅(qū)動單元實現(xiàn)高精度、高響應的扭矩及轉(zhuǎn)速輸出。
5.PID執(zhí)行單元選用自主研發(fā)PLC控制系統(tǒng)，提供更穩(wěn)定快速的執(zhí)行各種測試條件。
6. 采用軍工級（6 通道）高精度多功能電力分析儀來進行電氣參數(shù)測試。可同時測試驅(qū)動器前端和后端，保障實驗數(shù)據(jù)的準確性。
四、軟件功能
測試平臺的軟件開發(fā)與功能設計是十分重要的工作。根據(jù)測試需求，系統(tǒng)上位機控制軟件系統(tǒng)可以實現(xiàn)下列功能 :
1. 數(shù)據(jù)采集 : 能與下位機系統(tǒng)建立通訊，實現(xiàn)扭矩、轉(zhuǎn)速、功率、電流等數(shù)據(jù)互傳。
2. 命令發(fā)送 : 能將各種測試命令下發(fā)至下位機，實現(xiàn)與負載系統(tǒng)、PID 控制系統(tǒng)、功率分析儀主動控制權。
3. 實時數(shù)據(jù)繪制 : 將采集到的數(shù)據(jù)進行分析并繪制出曲線。
4. 參數(shù)設置 : 對負載控制系統(tǒng)剛性進行 PID調(diào)節(jié)。
5.狀態(tài)顯示:顯示當前測試扭矩、功率、轉(zhuǎn)速、電流、電機實時溫度等。
6. 測試項目 : 能夠為測試者提供多種不同的測試項目及自動測試方案。
五、軟件程序結構
基于以上功能，選擇測試程序在 WINDOS系統(tǒng)下使用 Visual Studio 采樣用面向使用者編程方法進行開發(fā)，軟件結構如圖所示 :
圖 3 平臺軟件程序結構圖
測試臺程序運行過程如下 : 主程序啟動，初始化 PCI 設置、PLC 設置，初始化串口 1、串口2 以及實驗中所需的設置 ; 選擇測試種類 ; 設置好所需數(shù)據(jù)和測試項目后開始進入測試階段。由上位機發(fā)送指令給負載電機進行數(shù)據(jù)采集及曲線繪制。期間可人工停止測試或等待自動測試停止。
圖 4 測試實驗平臺界面圖
對所需數(shù)據(jù)進行分析，測試結束后選擇保存，將本次數(shù)據(jù)保存。
六、測試項目
1. 手動 / 自動加載，測試負載特性，包括 :扭矩 / 轉(zhuǎn)速 / 電流 / 電壓 / 功率 / 效率，通過該測試可準確判定被測電機工作區(qū)間分布范圍以及電機承受負載的情況，有效的了解電機性能指標。
圖 5 負載特性測試曲線
2. 驅(qū)動器的電流不同負載下的諧波分析測試，測量伺服驅(qū)動器輸入輸出三相電運行情況，能夠定量分析伺服系統(tǒng)整體存在的諧波含量、有功使用、無功損耗、功率因數(shù)、電壓變動、閃變干擾、三相不平衡等指標，能夠準確反映整個伺服電機系統(tǒng)的 “健康” 狀況。
圖 6 諧波分析測試曲線
3. 轉(zhuǎn)矩波動測試，由于電機直接用于負載，在運轉(zhuǎn)的過程中，其自身由于齒槽力矩，電磁效應和加工裝配工藝等生產(chǎn)的轉(zhuǎn)矩波動將直接傳遞到負載上，從而對整個伺服電機系統(tǒng)的平穩(wěn)及控制精度產(chǎn)生影響。尤其在低轉(zhuǎn)速低負載狀態(tài)下，力矩波動占電機輸出力矩比例較大，直接影響電
機控制精度，該測試可在電機出廠前對電機工藝進行精準控制。
圖 7 轉(zhuǎn)矩波動測試曲線圖
4. 反電動勢測試，電機反電勢設計好壞對于電機性能有著直觀的影響，低反電勢電機驅(qū)動器輸出電流波形毛刺較大，高反電勢電機通過自身電感來抑制磁勢變化斜率，通過降低諧波達到降低鐵耗，過高的反電勢也會由于弱磁角度變化引起電機高速過載能力較弱。通過該測試可直觀對比不同電機反電勢的差異化。
圖 8 反電勢測試曲線圖
5. 交變工況測試，通過自動化編程加載方式模擬電機在不同工作區(qū)不同時間交替使用狀態(tài)，也同時模擬電機在自身不同工作區(qū)交替工作時電機繞組溫升以及控制精度的穩(wěn)定性，通過該測試提升電機出廠前的可靠性。
圖 9 交變工況測試曲線
七、結論
本文設計并實現(xiàn)了一個用于測試伺服電機性能的自動化測試平臺，該系統(tǒng)將計算機、采集卡、傳感器等硬件與數(shù)據(jù)采集、分析以及圖形用戶界面的應用軟件有效的結合，能充分發(fā)揮計算機的軟件控制能力。利用此平臺對特定的伺服系統(tǒng)進行了各種功能測試，測試結果證明，該平臺能夠按照測試系統(tǒng)設計功能要求，成功及準確的實現(xiàn)伺服電機的測試工作。
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