伺服驅動器可靠性強化試驗技術研究

王大號

（1.廣東省高性能伺服系統企業重點實驗室 珠海 519070；2.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

伺服系統是工業機器人的核心零部件，伺服驅動器作為伺服系統中的驅動裝置，其可靠性的強弱直接影響到機器人整機的可靠性工作能力，將可靠性強化試驗技術應用到伺服驅動器的設計研發中，可有效解決產品高可靠性、低開發成本和短研制周期之間的矛盾，因此對伺服驅動器可靠性強化試驗技術研究有重要意義。本文結合伺服驅動器應用環境，確定強化應力施加方法，查找產品應力極限，充分暴露產品的薄弱點，發現產品故障模式與性能退化，通過“試驗—改進—再試驗”的方式逐一改進產品的潛在缺陷，最終達到提升伺服驅動器的可靠性水平。

1 伺服系統結構

伺服系統主要包含伺服驅動器和伺服電機兩部分，其中伺服電機有執行部件、反饋部件、制動部件，具體各部分連接情況詳見圖1、圖2。

圖1 伺服系統連接框圖

圖2 伺服驅動器的結構示意圖

2 試驗設備簡介

可靠性強化試驗設備用于伺服驅動器可靠性強化的試驗測試，試驗設備主要包括三大部分（如圖3）：液氮快速變溫高低溫箱、置于箱內的氣動式3軸6自由度（6DOF）振動臺和試驗系統、電器柜和控制系統。采用對產品系統地施加步進應力的方法，快速激發產品的設計缺陷，暴露設計薄弱環節，確定產品的工作極限和破壞極限。可靠性強化試驗平臺的試驗能力如下：

圖3 伺服可靠性強化試驗設備

溫度范圍：-100～200 ℃，

溫變速率：60 ℃/min，

制冷方式：液氮制冷，

振動方式：氣動式三軸六自由度，

頻率范圍：5 Hz～10 kHz。

3 試驗方案設計

參考伺服驅動器應用環境與實際工作情況，設計溫度應力、振動應力、電壓循環應力三種應力類型用于激發伺服驅動器的故障模式和故障機理。以下簡述三種應力的激發故障的機理和模式：

3.1 溫度應力

溫度應力可通過低溫、高溫及溫度循環方式作用在伺服驅動器上，可影響其機械、物理化學和電氣性能。溫度及循環激發的故障模式有：連線伸張或松弛，接觸不良、參數漂移與電路穩定性差，電路板開路、短路、元器件松動等[1]。低溫步進應力試驗剖面如圖4。

圖4 低溫步進應力試驗剖面

3.2 振動應力

振動應力是直接用外力激起伺服驅動器內部元器件及其結合部件的諧振，達到性能超差或失效、結構引線松動磨損或脫落、放大微小缺陷和損傷。振動激發的故障模式有：電路板開路短路、元器件松脫、虛焊、開焊、粘接不良、機械缺陷等[1]。振動步進應力試驗剖面如圖5。

圖5 振動步進應力試驗剖面

3.3 電壓循環應力

電壓的高低循環可以激發伺服驅動器對電壓變化比較敏感部件的故障，對穩壓器件、二極管、晶體管、繼電器等有激發作用。電壓循環激發的故障模式有：間歇失效、性能減弱、電路誤動作、短路、絕緣老化等[1]。

應力的施加是采用步進的方式進行，步進應力極限值要達到設計值以上，并預留足夠的裕度，試驗步長可根據產品應用靈活調整。另外在振動環境應力試驗中，各步進應力量級停留時間一般設置5～10 min來確定產品的破壞極限和工作極限；在溫度環境應力試驗中，斷電溫度停留時間要根據伺服器的溫度平衡來確定，如溫度循環試驗中用極大應力在激發故障，則在端點溫度停留時間不要等到伺服驅動器完全達到溫度平衡（最多達到90 %）。

4 故障檢測

伺服驅動器的功能、性能檢測依據伺服驅動器設計檢測原理確定。試驗前、中、后應進行功能與性能檢測。伺服驅動器在可靠性強化試驗期間出現如下情況，即可認為其功能異常或發生故障：

1）伺服驅動器喪失任一必備的功能。

2）伺服驅動器的性能參數超差。

3）出現影響伺服驅動器控制系統功能、性能和結構完整性的機械部件、結構件或元器件的破裂、斷裂或損壞狀態[2]。

4）伺服驅動器具有故障預警與保護功能，在異常發生時會進行報警，使伺服電機停止工作。在故障報警與保護報警狀態時，前面板LED顯示報警代碼AL.XXX，伺服無法開啟。

5 試驗驗證結果

在實驗室，按照設計的伺服驅動器強化試驗方案，利用某品牌400 W驅動器進行試驗驗證，在試驗過程中共出現2次故障，確定產品工作極限，快速發現設計薄弱點，試驗方案有效，具體的故障形式如下：

5.1 溫度應力故障

故障現象1：伺服驅動器的低溫步進應力試驗，溫度至-20 ℃，伺服驅動器顯示故障代碼AL161，該代碼報警內容為熱保護電路故障，將樣品恢復至常溫狀態，故障代碼解出，樣品工作恢復正常。

故障分析：伺服驅動器觸發低溫保護電路。

故障解決方案：此故障由伺服驅動器設計特點導致，將伺服驅動器低溫保護電路中感溫包增大電阻，更換為10 kΩ后，故障現象消失。

故障現象2：伺服驅動器按照低溫步進應力試驗，溫度至-55 ℃，維持5 min，監測IPM電源電壓超過上限值16.5 V，達到20.5 V，控制器電源-12VA電壓超過上限值10.8 V，達到16.7 V，驅動器跳閘斷電。

故障分析：伺服驅動器的IPM元器件（智能功率元器件）W相的下橋臂擊穿。

故障解決方案：伺服驅動器IPM元器件來料缺陷，更換元器件后，樣品恢復正常工作。

5.2 振動應力故障

故障現象1：伺服驅動器按照振動步進應力試驗，振動量級至40 g，伺服驅動器顯示故障代碼AL 220，停止振動，重啟樣品，伺服驅動器顯示面板數碼管不亮，監測到母線電壓值為305 V，IPM電源電壓為0 V，控制器電源+12VA為0 V。

故障分析：伺服驅動電路中NTC熱敏電阻引腳斷裂（如圖6）。

圖6 伺服驅動器NTC熱敏電阻故障圖

故障解決方案：更換NTC熱敏電阻，元器件焊接過程和生產運輸中，避免相互碰撞及折彎。

6 結論

本文介紹伺服系統的結構以及伺服驅動器可靠性試驗設計方法和不同試驗應力的選擇、故障診斷的方法，并通過伺服驅動器實測驗證，快速發現設計薄弱點，診斷故障，驗證了伺服驅動器可靠性強化試驗的有效性，通過以上驗證得出如下結論：

1）本文對伺服驅動器可靠性強化試驗技術進行研究，具有較高的實際應用價值。

2）本文提出針對伺服系統，設計不同應力類型用于激發伺服驅動器的故障模式和故障機理。

3）通過伺服驅動器試驗驗證，本文提出的強化試驗方案可以有效快速發現伺服系統設計薄弱點，為設計改進提供依據，同時可以為行業其它產品借鑒。