永磁交流伺服電動機轉矩波動測試裝置*

時曉霞　楊月花

(廣州數控設備有限公司 ，廣東 廣州 510530)

?

永磁交流伺服電動機轉矩波動測試裝置*

時曉霞楊月花

(廣州數控設備有限公司 ，廣東 廣州 510530)

在永磁交流同步電動機的某些應用場合，如數控機床、加工中心及航天航空工程等，要求電動機能夠在低速時輸出較大的轉矩且能平穩運行，電動機的低速平穩性直接影響因素是轉矩波動。導致轉矩波動的因素較多，既和電動機本體設計、電動機結構和加工工藝有關，也與運行方式有關，甚至還有驅動控制器方面的因素。因此在研發測試過程中該參數有測試的必要性。根據在廣州數控設備有限公司的實際應用，對所構建的這種永磁伺服電動機轉矩波動測試裝置進行了詳細論述。通過實際應用，驗證了該套裝置的測試數據與理論設計值基本一致，系統地闡述了所述測試裝置的實用性與可行性。

轉矩波動; 伺服電動機; HBM;ABB

電動機作為機電能量轉換的機械,其指標體系包括穩態性能指標、動態性能指標和控制性能指標。由于電動機在結構上存在齒槽及電樞等因素，所以在運行中存在轉矩波動的現象。 轉矩波動是影響交流伺服電動機平穩運行的重要指標，對其進行精確測量、計算、分析，直接關系到電動機整體性能水平不斷改進和提高，所以有必要對其深入研究。永磁交流伺服電動機的轉矩波動直接影響系統的控制精度，是最為關注的伺服性能指標之一。也是永磁交流伺服電動機設計和控制過程中非常重要的研究對象，其大小直接影響機械加工件的加工精度。

1　轉矩波動數據模型

1.1轉矩波動分析

轉矩波動是各類伺服控制系統中最關注的伺服性能指標之一，它是指伺服電動機在某一時刻(某一轉速下)輸出轉矩未達到預期給定而出現的轉矩偏差。當偏差值的大小超出所規定的范圍時，電動機的伺服控制性能和控制精度將受到不同程度的影響。

電磁因素引起的轉矩波動主要分以下兩類：

(1)齒槽轉矩:由于電動機定子的齒槽與轉子的永磁體相互作用產生的轉矩，這個轉矩隨空間位置作周期性變化，它表現為總是試圖將轉子定位在某些位置，這個轉矩與定子電流無關。

(2)紋波轉矩:由電流和反電動勢波形偏差引起的諧波轉矩。

永磁交流伺服電動機對外呈現的轉矩波動是齒槽轉矩和紋波轉矩共同引起的。

1.2實驗儀器設備

(1)采用HBM傳感器，型號為T40B。基本參數：量程為100 N·m；線性精度為±0.03%；采樣速率為19.2 kHz。

(2)加載電動機：ZJY182-5.5CF-B35，電動機性能參數如下：S1工作制下的電動機額定功率為5.5 kW；額定電流為19 A；額定轉矩為26 N·m；額定頻率為70Hz；額定轉速/最高轉速為2 000/12 000 r/min；額定電壓為240 V。

(3)被測電動機適配驅動器：GS3050(廣數自主研發)。

(4)加載電動機所配驅動器：ACSM1-04AS-040A-4。

(5)直流穩壓電源，型號：APS3005S-3D。

2　轉矩波動測試平臺的搭建

轉矩測試平臺是一套對拖測試平臺，通過ABB變頻器采用直接轉矩控制方式，陪測電動機施加需要設定的負載，被測電動機則通過匹配驅動器速度模式控制，施加相應的轉速；以便滿足轉矩波動測試標準的要求。

2.1轉矩波動構建模型

根據在工作中實際的應用，構建如圖1所示的轉矩波動整體架構圖，選用國內外最精密的控制器和傳感器。實現了轉矩波動測試的高精度和準確性。

在應用中搭建的轉矩波動測試平臺實物如圖2。

2.2轉矩波動實驗操作方法

2.2.1ABB變頻器

ABB高性能機械類傳動為高要求的機械設備提供了高性能的速度控制、轉矩控制和運動控制。ACSM1可以控制有反饋或無反饋的感應電動機、同步伺服電動機與異步伺服電動機。它采用DTC (直接轉矩控制)電動機控制技術來確保性能的優越。

加載電動機由ABB變頻器進行控制，加載機組的力矩響應時間<5 ms，轉矩控制精度<±2%FS。采用直接轉矩控制(DTC)方式運行，通過編碼器進行反饋。

在測試過程中，打開Drive Studio ABB 控制器軟件，進入Drive操作界面。首先打開參數瀏覽器，進入啟動數據界面，根據電動機標簽上數據對電動機的各性能參數進行設置。打開速度反饋界面，對編碼器參數進行設置，設置控制方式為直接轉矩控制(DTC)。上述參數全部完成設置后，啟動ABB控制器，電動機則可以正常運行。可以很據比例數值對電動機施加一定的負載。

2.2.2HBM傳感器

擁有高精度的檢測儀器對于電動機測試數據的可靠性尤為重要,直接關系到檢測結果的真實性。HBM傳感器用于工業場合和高精度測量，它由轉子部分和定子部分組成， 轉子部分連接在電動機和負載中間，用于測試電動機轉矩和轉速；定子部分與轉子部分不接觸，用于接收傳感器轉子部分發出的信號，然后傳給放大器， 放大器可以對采集到的數據進行處理，比如濾波，或者把所有的數據取絕對值等。高精度速度測量系統，即使在非常低的轉速下，測試數據也相當的準確、可靠。T40B傳感器的外形見圖4和圖5。

2.3實驗數據分析

2.3.1測試方法與步驟

國標《JBT 10274-2001 數控機床交流伺服電動機 通用技術條件》中規定轉矩波動率測試方法：

表1　電動機測試數據

由電動機和伺服單元組成伺服裝置，并穩定運行在10%最高轉速值這一點，對電動機施加連續工作區中規定的該轉速下允許的最大轉矩，用扭矩儀或者類似設備連續測量并記錄電動機輸出轉矩，找出最大轉矩Tmax和最小轉矩Tmin(即瞬態值)，轉矩波動率T如公式(1)：

(1)

2.3.2測試結果與分析

本文以130SJTG-M050GH電動機(本公司自主研發電動機)作為應用實例。

樣機的基本參數設置為額定功率：2.1 kW，極對數為4極；驅動單元輸入電壓為AC380三相；額定電流為6 A；額定轉矩為5 N·m，額定轉速為4 000 r/min；最高轉速為6 000 r/min。實驗測試波形如圖6，電動機的測試數據見表1。

在實際應用中，廣數自主研發的交流伺服電動機型號80、110、130、150、175系列電動機20多款都在這套測試平臺上進行了測試驗證。這些電動機包括機器人使用電動機、高精高速機床電動機等。實測的轉矩波動率數值與理論設計值基本保持一致。通過測試結果分析，被測電動機受所匹配的驅動器影響很大，如果驅動器匹配不合理，導致被測電動機電流值過大，測試數值不準確。在測試過程中，需要選擇合理的驅動器及其調試匹配參數。

3　結語

實驗中采用HBM的傳感器和采集系統進行測定，它可以實時精確地測試電動機的轉矩和轉速，將信號傳給PC機，采集電動機實時轉矩、轉速相對應時間的曲線，從而方便快捷地計算出電動機的轉矩和轉速波動率。通過構建永磁交流伺服電動機的轉矩脈動測試平臺，能夠更好的驗證電動機的性能參數，反應了電動機運行的平穩情況。

[1] 劉博偉,李省閣. 電動機轉矩波動測量方法研究[J].微電動機,2006,39,7:72-73,76.

[2]《JBT 10274-2001 數控機床交流伺服電動機 通用技術條件》[S].中國機械工業聯合會.

[3]黃越,唐任遠,韓雪巖. 基于Ansoft 的永磁交流伺服電動機轉矩波動分析,[J].電氣技術，2008,4:15-18.

[4]強雄,嚴蓓蘭,錢奇文.HBM扭矩傳感器在電動機測試中的應用,[J]. 上海電器科學研究所(集團)有限公司.

[5]閆晶芬,陳麗香,唐任遠.削弱永磁伺服電動機轉矩波動的措施研究[J].電氣技術,2008(4):10-13.

[6]唐任遠.現代永磁理論與設計[M].北京：機械工業出版社，1997：143

(編輯汪藝)

如果您想發表對本文的看法，請將文章編號填入讀者意見調查表中的相應位置。

Torque ripple test device of permanent magnet AC servo motor

SHI Xiaoxia, YANG Yuehua

(GSK CNC Equipment Co., Ltd., Gunagzhou 510530, CHN)

In some applications of permanent magnet synchronous AC motor, such as NC machine tools, machining center and aerospace engineering, etc., require motor can output large torque at low speed and can run smoothly, the stability of the motor directly influence factor is the torque ripple. Factors leading to torque ripple are more, both related to ontology and motor design, motor structure and processing technology, also related to the operation mode, and even drive controller factors. So in the R & D and testing process, this parameter is necessary to be tested. According to the practical application of GSK CNC Equipment Co., Ltd. in Guangzhou, this paper describes the building permanent magnet servo motor torque fluctuation test device in detail. Verified by practical application, this set of device test data and the theoretical design value, systematically expounds the practicability and feasibility of the test device described in this article.

torque ripple; AC servo motor; HBM ; ABB

TH351

A

時曉霞，女，1982年生，工程師，研究方向為機床使用電動機性能測試工作。

2015-05-05)

160136

*高檔數控機床與基礎制造裝備:高檔數控機床、數控系統及功能部件關鍵技術標準與測試平臺研究(2012ZX04010-021)