數控機床伺服驅動模塊與電動機的性能測試技術分析

孫堅

摘 要：近年來，我國電動機單元應用發展迅速，各種伺服驅動及電動機逐漸規模化，關于數控機床領域中的電動機單元性能測試試驗規范依次完善，對提升電動機產品質量具有積極意義。本文對數控機床伺服驅動模塊與電動機性能指標進行概述，分析動態性能和靜態性能對伺服控制系統穩定性的影響，隨后開展各項性能測試技術展開性能測試，以期為伺服電動機產業發展提供一定參考。

關鍵詞：伺服驅動模塊;電動機;性能指標;性能測試技術;負載試驗

2015年初，《數控機床用伺服驅動及電動機性能試驗規范》研討會召開，對數控機床電氣設備及系統用交流驅動單元性能試驗規范制定標準化一般性要求，以滿足不同類型交流伺服驅動單元性能試驗，如過載能力、齒槽定位轉矩等。本文以實際案例為準，在遵循相關標準的基礎上，開展能夠滿足110kW最大功率的交流伺服系統、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 數控機床伺服驅動模塊與電動機性能指標

1.1 動態性能指標

動態性能指標主要包含自然頻率、阻尼比或者過渡時間、超調量等，在性能測試時需要對這些指標一一展開測試，以保障最終產品質量。其中，自然頻率指標主要指在外部指令下達時，系統響應的快慢速度，是系統無阻尼情況下自身的震蕩頻率，當這一自然振蕩頻率越高，說明響應速度越快，反之則越慢[1]。阻尼是使系統自然震動衰減的各種摩擦和阻礙作用，主要表達結構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，系統振蕩衰減速度越快，當震蕩達到一定界值后，系統振蕩停止，響應時間逐漸增加。

1.2 靜態性能指標

靜態性能指標，主要包含靜態剛度和靜態誤差兩方面。靜態剛度是靜荷載下抵抗變形的能力;靜態誤差涉及速度、誤差和加速度誤差，是期望輸出與實際輸出之間的差值。當系統處于靜態（穩態）時，其放大的倍數屬于穩態增益，是減少系統誤差的根本原理。以速度誤差為例，在系統增益為（8-50）s-1的軟伺服系統中，速度環的閉環增益是系統增益的2至4倍，但其開環增益高達80至100。在性能測試時，必須設計配置適宜系統增益，才能保障伺服系統的穩定性。

2 系統設計及性能測試主要內容

2.1 系統平臺設計

為滿足測試要求，系統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。系統由調壓器、功率分析儀、驅動控制系統、轉矩轉速傳感器、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 性能測試主要內容

負載試驗。基于PLC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，對減速齒輪組轉速進行設計調整，以滿足伺服電機和制動器的轉速。具體測試流程為，利用PLC模擬量循環輸出0～10V電壓，并使伺服電機在不同轉速下進行運轉，切換加載與空載狀態，利用電機為保持轉速為增加輸出力矩這一特性，確定轉速、渦流制動器、轉矩傳感器的輸出參數，最終分析得出最接近真實負載情況下的負載性能[2]。

靜態剛度試驗。具體測試流程為將位置伺服系統設定在空載零速鎖定狀態，借助傳感器確定電動機軸角位置，確定其為零位;然后，在負載側施加正向轉矩或者反向轉矩，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矩和反向轉矩，共獲得六次試驗檢測數值，取最大值。

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

轉矩變化的時間響應試驗。提前設置伺服驅動模塊與電動機的額定轉矩為0.5倍，在其穩定運行時，突然施加0.5倍連續工作區的最大轉矩，穩定后突然將負載轉矩卸載。在試驗中，確保這一過程被示波器全程記錄，并自動生成轉矩變化的時間響應曲線，獲得最大瞬態偏差和恢復時間。當轉速為700r/min時，負載轉矩由1突變至4N？m，速度和扭矩響應特性曲線圖。

3 結束語

總之，性能測試是保障伺服驅動模塊與電動機性能行之有效的措施，相關人員需要不斷加強對其工作原理和性能的了解，在遵循相關技術標準的基礎上，研究開發新的測試技術和方法，為電機改良與發展提供充足理論依據。

參考文獻：

[1]李天奕， 向薈羽， 沃松林，等. 基于DSP的交流伺服電機驅動器的設計[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動軟件的配置項測試方法[J]. 電子技術與軟件工程， 2019， （017）：P.42-42.

[3]高杰. 電機驅動與控制系統測調軟件平臺研制[D]. 西安電子科技大學， 2020.