馮志剛,許崇倫,肖令軍
(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110136;2.北京航天軍創(chuàng)技術(shù)有限公司,北京 100070)
伺服驅(qū)動(dòng)器是伺服系統(tǒng)的重要組成部分,伺服系統(tǒng)的絕大部分故障是由伺服驅(qū)動(dòng)器引起的[1]。伺服驅(qū)動(dòng)器在投入生產(chǎn)和使用之前,進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試是伺服系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性的重要評(píng)估方法[2]。隨著伺服驅(qū)動(dòng)器復(fù)雜程度的提升,對(duì)于伺服系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定性及其他各項(xiàng)參數(shù)的質(zhì)量需求在不斷增加[3-6]。傳統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器測(cè)試方法采用人工測(cè)試,效率低、成本高且測(cè)試準(zhǔn)確率得不到保證,已無(wú)法滿足當(dāng)前需求。為保證伺服驅(qū)動(dòng)器的出廠質(zhì)量,提高產(chǎn)品檢測(cè)效率,完善伺服驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)體系,設(shè)計(jì)一種高效可靠的伺服驅(qū)動(dòng)器測(cè)試系統(tǒng),成為伺服系統(tǒng)生產(chǎn)商的研究熱點(diǎn)[7-8]。
針對(duì)上述伺服驅(qū)動(dòng)器在生產(chǎn)過(guò)程中存在的需求,本文根據(jù)《交流伺服驅(qū)動(dòng)器通用技術(shù)條件》設(shè)計(jì)了一種交流伺服驅(qū)動(dòng)器測(cè)試系統(tǒng),用于保證伺服驅(qū)動(dòng)器的出廠質(zhì)量[9]。本系統(tǒng)的主要功能是對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行加載操作和對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行參數(shù)配置,以滿足試驗(yàn)條件;通過(guò)實(shí)時(shí)控制伺服驅(qū)動(dòng)器和采集扭矩傳感器數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)具體的測(cè)試項(xiàng)目。結(jié)果表明,該系統(tǒng)可完成多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試,為交流伺服驅(qū)動(dòng)器的生產(chǎn)提供了一種可靠的測(cè)試系統(tǒng)。
交流伺服驅(qū)動(dòng)器測(cè)試系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。其中硬件系統(tǒng)主要分為三大模塊:主控機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器之間的通信模塊;提供測(cè)試所需負(fù)載的加載模塊;為上位機(jī)提供伺服電機(jī)數(shù)據(jù)的采集模塊。軟件部分主要分為三大模塊:伺服驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)設(shè)置模塊;測(cè)試參數(shù)配置模塊;交流伺服驅(qū)動(dòng)器測(cè)試模塊,系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
對(duì)于通信模塊,選擇合適的通信設(shè)備連接各個(gè)功能模塊,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各設(shè)備間的通信,確保傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確完整和控制命令的實(shí)時(shí)有效;對(duì)于數(shù)據(jù)采集模塊,作為軟件與硬件之間的重要橋梁,將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理模塊,用于測(cè)試結(jié)果的分析判斷;對(duì)于負(fù)載加載系統(tǒng)模塊,根據(jù)上位機(jī)所設(shè)定的加載值,對(duì)被測(cè)電機(jī)施加相應(yīng)的加載量,使伺服系統(tǒng)滿足測(cè)試所需的負(fù)載條件。對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)置模塊,交流伺服驅(qū)動(dòng)器測(cè)試前的準(zhǔn)備工作,配置伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)并進(jìn)行簡(jiǎn)單的電機(jī)測(cè)試,確保伺服驅(qū)動(dòng)器在測(cè)試系統(tǒng)中能夠正常運(yùn)行;對(duì)于測(cè)試參數(shù)配置模塊,在測(cè)試準(zhǔn)備階段配置驅(qū)動(dòng)器參數(shù),滿足控制模式和加載狀態(tài)等要求;對(duì)于測(cè)試模塊,設(shè)計(jì)相關(guān)測(cè)試項(xiàng)目的試驗(yàn)方法,并在試驗(yàn)中控制驅(qū)動(dòng)器按試驗(yàn)方法運(yùn)行。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)界面,使用者可以完全通過(guò)操作上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服驅(qū)動(dòng)器測(cè)試系統(tǒng)的控制。
硬件系統(tǒng)由主控機(jī)-伺服系統(tǒng)-負(fù)載加載系統(tǒng)構(gòu)成,硬件系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)整體方案圖
該設(shè)計(jì)模塊需要實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互,確保傳輸過(guò)程的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)容分別為伺服驅(qū)動(dòng)器的配置指令、電機(jī)控制指令和伺服驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器的配置指令,數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程并無(wú)過(guò)多性能上的要求,采用RS485 通信接口即可滿足。對(duì)于電機(jī)控制指令和伺服驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),要求傳輸過(guò)程中準(zhǔn)確率高、實(shí)時(shí)性好且數(shù)據(jù)傳輸率高,又因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的伺服驅(qū)動(dòng)器具有CAN 和RS485 兩種通信接口,所以選用CANalyst-II 和ZTEK 設(shè)備,對(duì)不同類(lèi)型的傳輸內(nèi)容進(jìn)行設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信。
該設(shè)計(jì)模塊需要實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集,確保采集數(shù)據(jù)高精度,采集過(guò)程具有穩(wěn)定性和強(qiáng)抗干擾能力。
采集模塊選用HCNJ-103 微量程扭矩傳感器及其配套的HN-201 扭矩轉(zhuǎn)速功率儀作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備。該款傳感器性能優(yōu)秀,檢測(cè)扭矩的同時(shí)可以檢測(cè)轉(zhuǎn)速、軸動(dòng)力,檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng),滿足檢測(cè)的性能需求。伺服電機(jī)的工作端接入扭矩傳感器,功率儀的RS485 通信接口與控制板的RS485 通信接口相連,組成了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊。
該設(shè)計(jì)模塊需要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)施加負(fù)載,負(fù)載值由上位機(jī)輸入或手動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕設(shè)置,并確保負(fù)載輸出的持續(xù)穩(wěn)定和低誤差。
負(fù)載加載模塊由磁滯制動(dòng)器、磁滯控制器和控制板組成。測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)電機(jī)施加安全穩(wěn)定的負(fù)載,而磁滯制動(dòng)器有著無(wú)論滑轉(zhuǎn)速度的變化如何,其傳送的轉(zhuǎn)矩能基本保持不變的優(yōu)點(diǎn),并且小電流可以控制輸出較大的轉(zhuǎn)矩[10],所以該加載系統(tǒng)選用磁滯制動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì);通過(guò)RS485 接口接收上位機(jī)設(shè)定的加載值,經(jīng)數(shù)據(jù)處理后輸出代表真實(shí)扭矩值的模擬量。對(duì)于采用24 V DC 電壓控制的磁滯制動(dòng)器,除了直接的電壓調(diào)節(jié)以外,一般采用更加細(xì)分的電流控制,磁滯制動(dòng)器的扭矩調(diào)節(jié)與控制是通過(guò)調(diào)整經(jīng)過(guò)電磁線圈的直流電流大小來(lái)決定輸出扭矩變化的。扭矩與電流值的大小呈線性關(guān)系,采用恒流源同時(shí)可將制動(dòng)器外部因素變化造成的漂移誤差降到最低;控制板是負(fù)載加載系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊,起到為系統(tǒng)提供電機(jī)負(fù)載的作用[11]。該負(fù)載加載板采用STM32F103ZET6 作為控制板的處理核心,兩路模擬量輸出、三路的RS485 接口、RS232 接口、RS422 接口、CAN 接口、LED 模塊和按鍵模塊。由于磁滯控制器需要0~5 V 范圍的輸入電壓,所以采用STM32F103ZET6 芯片內(nèi)部的DA 轉(zhuǎn)換與運(yùn)放電路相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)模擬量輸出電路。LED 模塊結(jié)合按鍵模塊實(shí)現(xiàn)切換模式、設(shè)置參數(shù)、顯示控制板狀態(tài)等功能。
系統(tǒng)上位機(jī)使用Qt 平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā),借助Modbus和CAN open 通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)、控制指令的傳遞、接收,并最終顯示在用戶(hù)界面上。同時(shí)根據(jù)具體功能實(shí)時(shí)性需求的分析,將任務(wù)模塊分為實(shí)時(shí)性和非實(shí)時(shí)性任務(wù),通過(guò)CAN open 協(xié)議中的過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象確保實(shí)時(shí)性任務(wù)精確且準(zhǔn)時(shí)完成[12]。
該軟件系統(tǒng)采取模塊化的設(shè)計(jì)理念,根據(jù)系統(tǒng)的整體需求,將軟件功能劃分為設(shè)備連接模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)設(shè)置模塊、測(cè)試條件配置模塊和測(cè)試模塊[13]。交流伺服驅(qū)動(dòng)器測(cè)試系統(tǒng)軟件部分功能框圖如圖3 所示。

圖3 軟件功能框圖
當(dāng)啟動(dòng)上位機(jī)軟件后,將會(huì)顯示一個(gè)通訊設(shè)置對(duì)話框,通過(guò)此對(duì)話框,選擇需要的通訊端口、通訊速率,掃描設(shè)備范圍等。
①連接\斷開(kāi):連接時(shí),選擇通訊方式并設(shè)置通訊參數(shù)。斷開(kāi)時(shí),可進(jìn)行離線操作使用部分功能;
②伺服驅(qū)動(dòng)器選擇:在通訊地址范圍內(nèi),自動(dòng)掃描并識(shí)別所連接設(shè)備的通訊地址或直接輸入通訊地址進(jìn)行連接;
伺服驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)設(shè)置模塊的協(xié)議采用MODBUS 通信協(xié)議(8 位數(shù)據(jù),1 位偶校驗(yàn),1 位停止位,ASCII 碼),主要功能包括:
①參數(shù)編輯:能顯示連線的伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù),對(duì)選中的參數(shù)進(jìn)行修改操作,每個(gè)參數(shù)給出了相應(yīng)的簡(jiǎn)要說(shuō)明;
②報(bào)警信息:顯示當(dāng)前報(bào)警信息,歷史報(bào)警記錄信息,根據(jù)需要可進(jìn)行當(dāng)前報(bào)警復(fù)位和歷史報(bào)警記錄清除操作;
③IO 監(jiān)控:顯示伺服驅(qū)動(dòng)器輸入輸出信號(hào)信息;
④數(shù)據(jù)監(jiān)控:顯示伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)信息,如:電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、給定脈沖、反饋脈沖、偏差脈沖;
⑤偏移調(diào)整:對(duì)模擬輸入信號(hào)(速度、轉(zhuǎn)矩)進(jìn)行校零操作;
⑥高級(jí)功能:可以對(duì)電機(jī)零位進(jìn)行檢測(cè),對(duì)負(fù)載的慣量進(jìn)行檢測(cè);
⑦試運(yùn)轉(zhuǎn):JOG 操作和正反轉(zhuǎn)測(cè)試;
⑧恢復(fù)出廠設(shè)置:可以對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器恢復(fù)出廠設(shè)置,并更新上位機(jī)的參數(shù)列表;
⑨文件導(dǎo)入\導(dǎo)出:文件作為參數(shù)列表的存儲(chǔ)單元和數(shù)據(jù)源;
其中除文件操作外,其他功能均是通過(guò)訪問(wèn)伺服狀態(tài)數(shù)據(jù)通訊地址、解析Modbus 數(shù)據(jù)包和UI 控件的程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
為滿足交流伺服驅(qū)動(dòng)器測(cè)試的試驗(yàn)條件,進(jìn)行了如下功能設(shè)計(jì):
①負(fù)載設(shè)置:上位機(jī)中設(shè)置加載值,根據(jù)通信協(xié)議輸入負(fù)載加載系統(tǒng),經(jīng)處理對(duì)電機(jī)施加測(cè)試所需負(fù)載。
②控制模式設(shè)置:伺服驅(qū)動(dòng)器存在5 種控制模式(速度控制、位置控制、回零控制、位置插補(bǔ)控制、轉(zhuǎn)矩控制),根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試要求設(shè)置相應(yīng)的控制模式,這里借助了CAN open 協(xié)議的服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象(SDO),用于傳輸非時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)(參數(shù)),通過(guò)修改數(shù)據(jù)字典設(shè)定相應(yīng)的控制模式及該模式下的測(cè)試相關(guān)參數(shù)[14]。
試驗(yàn)進(jìn)行時(shí),系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)控制伺服驅(qū)動(dòng)器運(yùn)轉(zhuǎn)直到試驗(yàn)結(jié)束,如果試驗(yàn)期間出現(xiàn)控制滯后情況,會(huì)影響測(cè)試結(jié)果,所以數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性對(duì)該系統(tǒng)至關(guān)重要的。CAN open 通信協(xié)議在運(yùn)動(dòng)控制具有優(yōu)勢(shì),尤其是同步控制,所以這里借助了CAN open通信協(xié)議用于數(shù)據(jù)傳輸。該通信協(xié)議的過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象(PDO)往往用于傳輸時(shí)間關(guān)鍵進(jìn)程數(shù)據(jù)(給定值、控制字、狀態(tài)信息等)[15]。
對(duì)測(cè)試過(guò)程中涉及時(shí)間關(guān)鍵進(jìn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行PDO 映射,在此基礎(chǔ)上按試驗(yàn)要求定時(shí)向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制命令,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的實(shí)時(shí)控制,完成試驗(yàn)操作。
對(duì)于測(cè)試結(jié)果,以傳感器采集數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,根據(jù)交流伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)條件為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),判斷被測(cè)設(shè)備是否符合規(guī)定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
測(cè)試系統(tǒng)按基礎(chǔ)配置-測(cè)試環(huán)境配置-實(shí)施測(cè)試-測(cè)試結(jié)果判斷的順序進(jìn)行,測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行流程如圖4 所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行流程
軟件系統(tǒng)設(shè)有權(quán)限,用戶(hù)需登錄后進(jìn)入系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)初始化后進(jìn)入人機(jī)界面,人機(jī)界面包含多個(gè)不同的功能界面,可實(shí)現(xiàn)不同功能界面的切換。其中軟件系統(tǒng)主要流程是在交流伺服驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)設(shè)置界面配置好伺服驅(qū)動(dòng)器,確定伺服系統(tǒng)無(wú)異常后,進(jìn)入具體測(cè)試項(xiàng)目界面,選擇測(cè)試項(xiàng)目,由負(fù)載加載系統(tǒng)配置該項(xiàng)目所需負(fù)載,測(cè)試模塊配置測(cè)試相關(guān)參數(shù)。測(cè)試進(jìn)行時(shí),測(cè)試參數(shù)與負(fù)載隨參數(shù)要求改變,并記錄數(shù)據(jù)。在測(cè)試結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、得出測(cè)試結(jié)果。根據(jù)測(cè)試流程,選擇退出或其他項(xiàng)目測(cè)試。
測(cè)試要求:電動(dòng)機(jī)在空載、額定轉(zhuǎn)速條件下,對(duì)于速度閉環(huán)的驅(qū)動(dòng)器,以多段速進(jìn)行正反轉(zhuǎn)檢測(cè)。伺服器驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別在-200 r/min、600 r/min、-1 000 r/min、2 000 r/min 穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證電機(jī)運(yùn)行速度的平穩(wěn)性。
測(cè)試指標(biāo):系統(tǒng)在空載運(yùn)行時(shí),速度越低,系統(tǒng)阻力越大,速度波動(dòng)越大。當(dāng)電機(jī)額定速度為3 000 r/min 時(shí),電機(jī)以大于2 000 r/min 高速運(yùn)行時(shí),波動(dòng)率不超過(guò)1‰;以1 000 r/min~2 000 r/min 中速運(yùn)行時(shí),波動(dòng)率不超過(guò)3‰;在0~1 000 r/min 中低速度時(shí),運(yùn)行速度在200 r/min 以上時(shí),波動(dòng)率不超過(guò)3%。
測(cè)試步驟:測(cè)試系統(tǒng)硬件如圖5 所示連接,將被測(cè)驅(qū)動(dòng)器接入系統(tǒng),接通電源后啟動(dòng)上位機(jī)軟件,如圖6 所示,配置被測(cè)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)并進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)操作,確保驅(qū)動(dòng)器正常運(yùn)行。電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后,將上位機(jī)軟件切換到圖7 所示的測(cè)試模塊,設(shè)置負(fù)載為空載狀態(tài)、控制模式為速度模式、配置測(cè)試相關(guān)參數(shù)。試驗(yàn)準(zhǔn)備就緒后,點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速波動(dòng)測(cè)試,驅(qū)動(dòng)器根據(jù)試驗(yàn)要求控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),等待試驗(yàn)結(jié)束,得到電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線和試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 系統(tǒng)實(shí)物圖

圖6 伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)配置界面

圖7 測(cè)試系統(tǒng)主界面
測(cè)試結(jié)果分析:從圖8 可以看出,處于中低速的曲線的波動(dòng)沒(méi)有超過(guò)3%,在[596,604]r/min 區(qū)間內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行,交流伺服驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速波動(dòng)測(cè)試通過(guò)。

圖8 電機(jī)速度曲線圖(轉(zhuǎn)速波動(dòng)測(cè)試)
測(cè)試要求:控制電機(jī)空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行在600 r/min,突然施加50%額定轉(zhuǎn)矩,電機(jī)再次穩(wěn)定運(yùn)行后,突然卸去該轉(zhuǎn)矩負(fù)載。
測(cè)試指標(biāo):通過(guò)采集伺服器相電流有效值,設(shè)定100 ms 為一個(gè)采樣周期,若對(duì)電機(jī)進(jìn)行突加、突減負(fù)載操作后的采樣周期內(nèi)恢復(fù)原轉(zhuǎn)速,電流有效值與轉(zhuǎn)速上升到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài),且速度波動(dòng)在±1%范圍內(nèi),則表明伺服器的抗負(fù)載擾動(dòng)能力即負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的時(shí)間響應(yīng),與負(fù)載轉(zhuǎn)速變化的時(shí)間響應(yīng)均符合工程實(shí)際運(yùn)行要求。
測(cè)試結(jié)果分析:從圖9 可以看出,無(wú)論是突增還是突減負(fù)載,電機(jī)在200 ms 內(nèi)速度重新達(dá)到穩(wěn)態(tài),實(shí)驗(yàn)表明交流伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)該項(xiàng)測(cè)試。

圖9 電機(jī)速度曲線圖(轉(zhuǎn)矩變化測(cè)試)
本文從伺服驅(qū)動(dòng)器測(cè)試需求出發(fā),依據(jù)《交流伺服驅(qū)動(dòng)器通用技術(shù)條件》,搭建了一套針對(duì)交流伺服驅(qū)動(dòng)器的測(cè)試系統(tǒng)。對(duì)不同功能模塊進(jìn)行了隔離設(shè)計(jì),在完成系統(tǒng)功能的同時(shí)減小了系統(tǒng)的復(fù)雜性,為系統(tǒng)的再開(kāi)發(fā)提供了便利。該系統(tǒng)軟硬設(shè)計(jì)合理、功能可行,人機(jī)界面直觀明了、便于操作,顯示內(nèi)容完善,滿足實(shí)際需求。