伺服驅(qū)動器的工作模式與伺服驅(qū)動器的測試方法

　　伺服驅(qū)動器是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，伺服驅(qū)動器其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分。目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。

　　功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?/p>

　　伺服驅(qū)動器一般可以采用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)，目前是傳動技術(shù)的高端。隨著伺服系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，伺服驅(qū)動器使用、伺服驅(qū)動器調(diào)試、伺服驅(qū)動器維修都是伺服驅(qū)動器在當(dāng)今比較重要的技術(shù)課題，越來越多工控技術(shù)服務(wù)商對伺服驅(qū)動器進(jìn)行了技術(shù)深層次研究。

　　伺服驅(qū)動器是現(xiàn)代運(yùn)動控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控加工中心等自動化設(shè)備中。尤其是應(yīng)用于控制交流永磁同步電機(jī)的伺服驅(qū)動器已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。當(dāng)前交流伺服驅(qū)動器設(shè)計(jì)中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置3閉環(huán)控制算法。該算法中速度閉環(huán)設(shè)計(jì)合理與否，對于整個伺服控制系統(tǒng)，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。

　　在伺服驅(qū)動器速度閉環(huán)中，電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時速度測量精度對于改善速度環(huán)的轉(zhuǎn)速控制動靜態(tài)特性至關(guān)重要。為尋求測量精度與系統(tǒng)成本的平衡，一般采用增量式光電編碼器作為測速傳感器，與其對應(yīng)的常用測速方法為M/T測速法。M/T測速法雖然具有一定的測量精度和較寬的測量范圍，但這種方法有其固有的缺陷，主要包括：

　?。?）測速周期內(nèi)必須檢測到至少一個完整的碼盤脈沖，限制了最低可測轉(zhuǎn)速；

　　（2）用于測速的2個控制系統(tǒng)定時器開關(guān)難以嚴(yán)格保持同步，在速度變化較大的測量場合中無法保證測速精度。因此應(yīng)用該測速法的傳統(tǒng)速度環(huán)設(shè)計(jì)方案難以提高伺服驅(qū)動器速度跟隨與控制性能。

　　伺服驅(qū)動器可以選擇的工作模式有：開環(huán)模式、電壓模式、電流模式（力矩模式）、IR補(bǔ)償模式、Hall速度模式、編碼器速度模式、測速機(jī)模式、模擬位置環(huán)模式（ANP模式）。（以上模式并不全部存在于所有型號的驅(qū)動器中）

　　開環(huán)模式

　　輸入命令電壓控制驅(qū)動器的輸出負(fù)載率。此模式用于無刷電機(jī)驅(qū)動器，和有刷電機(jī)驅(qū)動器的電壓模式相同。

　　電壓模式

　　輸入命令電壓控制驅(qū)動器的輸出電壓。此模式用于有刷電機(jī)驅(qū)動器，和無刷電機(jī)驅(qū)動器的開環(huán)模式相同。

　　電流模式（力矩模式）

　　輸入命令電壓控制驅(qū)動器的輸出電流（力矩）。驅(qū)動器調(diào)整負(fù)載率以保持命令電流值。如果伺服驅(qū)動器可以速度或位置環(huán)工作，一般都含有此模式。

　　IR補(bǔ)償模式

　　輸入命令控制電機(jī)速度。IR補(bǔ)償模式可用于控制無速度反饋裝置電機(jī)的速度。驅(qū)動器會調(diào)整負(fù)載率來補(bǔ)償輸出電流的變動。當(dāng)命令響應(yīng)為線性時，在力矩?cái)_動情況下，此模式的精度就比不上閉環(huán)速度模式了。

　　Hall速度模式

　　輸入命令電壓控制電機(jī)速度。此模式利用電機(jī)上hall傳感器的頻率來形成速度閉環(huán)。由于hall傳感器的低分辨率，此模式一般不用于低速運(yùn)動應(yīng)用。

　　編碼器速度模式

　　輸入命令電壓控制電機(jī)速度。此模式利用伺服電機(jī)上編碼器脈沖的頻率來形成速度閉環(huán)。由于編碼器的高分辨率，此模式可用于各種速度的平滑運(yùn)動控制。

　　測速機(jī)模式

　　輸入命令電壓控制電機(jī)速度。此模式利用電機(jī)上模擬測速機(jī)來形成速度閉環(huán)。由于直流測速機(jī)的電壓為模擬連續(xù)性，此模式適合很高精度的速度控制。當(dāng)然，在低速情況下，它也容易受到干擾。

　　模擬位置環(huán)模式（ANP模式）

　　輸入命令電壓控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動位置。這其實(shí)是一種在模擬裝置中提供位置反饋的變化的速度模式（如可調(diào)電位器、變壓器等）。在此模式下，電機(jī)速度正比于位置誤差。且具有更快速的響應(yīng)和更小的穩(wěn)態(tài)誤差。

　　國產(chǎn)伺服產(chǎn)品技術(shù)攻關(guān)大多數(shù)還停留在可靠性層面，只有可靠的產(chǎn)品才能被市場認(rèn)可，才能真正帶給它的用戶以價值。國產(chǎn)伺服可靠性不足集中體現(xiàn)在電源不穩(wěn)定、器件降額不夠，這些不可靠因素主要表現(xiàn)在關(guān)鍵器件的電應(yīng)力和熱應(yīng)力的可靠性，其次還有電磁擾動對電路功性能的影響，本文以一個案例的方式討論電源和器件應(yīng)力。

　　伺服系統(tǒng)最基本的性能是力矩、轉(zhuǎn)速、位置的精確性以及響應(yīng)速度。但凡討論伺服性能，我們必須站在系統(tǒng)層面來討論，把電機(jī)性能包括在其中。本文在探討性能測試方面，給出了力矩響應(yīng)、速度響應(yīng)、定位精度和重復(fù)定位精度的測試方法。

　　1、輔助電源短路保護(hù)測試

　　輔助電源不僅給控制芯片、驅(qū)動芯片、接口電路、風(fēng)機(jī)供電，而且伺服驅(qū)動器給外部提供24V電源。所以開關(guān)電源短路保護(hù)功能尤為重要，我們分別取最低電源電壓（DC200V）、正常電源電壓（DC311V）、最高電源電壓（DC400V）三個點(diǎn)，測試輔助電源的保護(hù)功能。

　　測試時，輔助電源輸入通過調(diào)節(jié)直流調(diào)壓器給定，將母線電源電壓分別調(diào)節(jié)到DC200V、DC311V、DC400V，然后依此分別將輸出短路，本文以5V，24V兩路輸出的一個實(shí)際產(chǎn)品為例討論。測試方法就是將其中一路短路，測量另外一路輸出。

　　l 5V短路，量測24V輸出，如表2-1所示：

　　l 24V短路，量測5V輸出，如表2-2所示：

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，在5V，24V短路時，芯片都進(jìn)入打嗝狀態(tài)，即滿足輸出短路保護(hù)試驗(yàn)要求。

　　2、輔助電源Topswitch電壓應(yīng)力試驗(yàn)

　　Topswitch器件VDS電壓指集成PWM控制器內(nèi)部IGBT漏極和源極之間的的電壓，VDS超標(biāo)是其損壞的主要原因之一，VDS直接影響伺服驅(qū)動器的可靠性和壽命，測試方法是通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)輔助電源輸入電壓，測量VDS電壓。輸入電壓越高，VDS電壓越高，即在母線規(guī)格最大值（DC400V）時，VDS電壓最高，測量這個最大值是否超標(biāo)，可判斷Topswitch電壓應(yīng)力是否合格。

　　還有一種情況，輔助電源輸出短路時，VDS會特別高，需要判斷短路時Topsweitch電壓應(yīng)力是否合格。

　　l 未短路時測試數(shù)據(jù)如下表2-3所示，實(shí)拍波形如圖2-1所示：

　　當(dāng)將5V短路時，在DC400V的輸入下VDS電壓為650V 小于700，滿足規(guī)格要求。

　　5V短路，VDS輸出波形如圖2-2：

　　3、輔助電源啟動測試

　　輔助源啟動時間對伺服產(chǎn)品可靠性來說很重要，特別是對功率器件與功率器件驅(qū)動上電時序的影響很重要，在功率器件必須保證在其驅(qū)動器件上電好以后才能上電，只有這樣才能保證在上電或斷電過程中功率器件不會有誤動作，避免直臂導(dǎo)通等嚴(yán)重的短路故障。

　　在本例中，輸入交流220VAC時，測試得到5V輸出啟動延時為180ms，小于IPM上電啟動時間，可以保證IPM驅(qū)動芯片先工作，IPM內(nèi)部IGBT后工作，可以防止上電短路等故障。延時波形如圖2-3所示：

　　l 正弦信號為50Hz輸入波形

　　l 直線型信號為輔助源5V輸出信號

　　4、輔助電源紋波及噪聲測試

　?。?）輸出電壓測試：分別在不同母線，滿載情況下，測試各路電壓值如表2-4所示：（單位：V）

　　測試結(jié)果：合格。

　?。?）輸出電壓紋波測試：分別在不同母線電壓情況下測試滿載電壓情況下紋波如表2-5所示（單位：mV）

　　測試結(jié)果：合格。

　　5、母線整流電路測試

　?。?）整流延遲和整流電路啟動對電網(wǎng)的沖擊都是很關(guān)鍵的問題，本設(shè)計(jì)整流電路啟動波形如圖2-4所示，啟動延時時間為125ms，滿足要求。

　　（2）圖2-4可以反映儲能電容充電時間，從安全等角度來講，放電時間也是很關(guān)鍵的。本設(shè)計(jì)電容放電波形如圖2-5所示，電容放電時間為7s，滿足要求。

　　6、IPM開通關(guān)斷延時測試

　　IPM內(nèi)部IGBT的開通與關(guān)斷波形直接影響到IPM工作的可靠性，如果開通和關(guān)斷時間太長，必然有兩種情況發(fā)生，一是上下開關(guān)管直臂導(dǎo)通造成短路故障，二是IGBT的開通和關(guān)斷損耗導(dǎo)致IPM發(fā)熱嚴(yán)重，長期工作不僅會對伺服驅(qū)動器以外的產(chǎn)品造成影響，而且直接影響IPM壽命。

　　如圖2-6所示，上面信號為驅(qū)動信號，IGBT開通信號延時500ns，滿足要求。

　　如圖2-7所示，上面信號為驅(qū)動信號，IGBT關(guān)斷信號延時500ns，滿足要求。

　　7、熱應(yīng)力測試

　　作為一個產(chǎn)品，使用者最關(guān)心的是產(chǎn)品的可靠性，可靠性不僅僅包括了產(chǎn)品各個器件的電應(yīng)力，也包括了熱應(yīng)力，研究每個發(fā)熱元件的溫升顯得尤為重要。

　　測試條件：

　　l 整個伺服驅(qū)動器放在恒溫箱環(huán)境中。

　　l 環(huán)境溫度為22.5℃。

　　l 滿載滿轉(zhuǎn)速條件下測試。

　　溫升就是被測元件溫度與環(huán)境溫度的差值，本產(chǎn)品定義最高的工作環(huán)境溫度為45℃，本實(shí)驗(yàn)是在環(huán)境溫度22.5℃下測試。由熱學(xué)基本知識可以知道，在環(huán)境溫度為45℃時的元件溫度就是45℃加常溫下的溫升。測試證明，本設(shè)計(jì)中整機(jī)下半部分模塊發(fā)熱不會對上半部分空間器件發(fā)熱產(chǎn)生影響，開關(guān)電源部分的器件發(fā)熱量空載與滿載差別不大。各個關(guān)鍵元件溫度與最大溫升如下表2-6所示，最高溫升26.8度，完全滿足設(shè)計(jì)要求。（單位為攝氏度）

　　1、力矩響應(yīng)測試

　　測試方法：把被測目標(biāo)電機(jī)和電機(jī)軸固定裝置（徑向可旋轉(zhuǎn)，也可以固定，類似于機(jī)床常用的分度頭）穩(wěn)固的固定在實(shí)驗(yàn)臺上，并且保證電機(jī)軸和固定裝置中心同心，把電機(jī)軸用固定裝置固定，如圖3-1所示。伺服使能，旋轉(zhuǎn)固定裝置，使U相電流最大，U相電流可以反映力矩大小。在階躍的力矩指令輸入條件下，U相電流的建立時間即可反映力矩響應(yīng)時間。

　　觀測方法：用示波器觀測，觀察時間軸設(shè)置為1ms，電流上升時間即為力矩響應(yīng)時間。

　　實(shí)驗(yàn)步驟：

　?。?）力矩指令為30％額定模擬量轉(zhuǎn)矩，固定裝置不固定，伺服ON，驗(yàn)證驅(qū)動器帶電機(jī)在力矩環(huán)下能正常運(yùn)行，確保電機(jī)軸轉(zhuǎn)了一圈以上。

　　（2）伺服OFF，分度頭固定電機(jī)軸，電流鉗夾在驅(qū)動器輸出的U相上，用示波器觀測U相電流的大小，伺服ON，旋轉(zhuǎn)固定裝置調(diào)節(jié)電機(jī)軸位置，同時觀測示波器上顯示U相電流的變化，當(dāng)U相電流最大的時候，停止旋轉(zhuǎn)分度頭，伺服OFF，鎖住固定裝置。

　?。?）模擬量力矩指令調(diào)節(jié)到50％額定轉(zhuǎn)矩，示波器設(shè)置為上升沿觸發(fā)，伺服ON大概1秒鐘后伺服OFF，示波器上俘獲到響應(yīng)電流波形和力矩波形，示波器不能有濾波，保存實(shí)驗(yàn)波形，并做好記錄。再重復(fù)做本實(shí)驗(yàn)5次，共保存3次相同條件下的電流響應(yīng)波形。

　?。?）模擬量力矩指令調(diào)節(jié)到100％額定轉(zhuǎn)矩，重復(fù)步驟3。

　　本例中力矩環(huán)響應(yīng)時間小于4毫秒。

　　2、速度響應(yīng)測試

　　速度帶寬測試方法：調(diào)整伺服驅(qū)動器參數(shù)使電機(jī)空載響應(yīng)性能最佳，將最大轉(zhuǎn)速限制在3000RPM，電流設(shè)定為電機(jī)額定電流。用函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)一個頻率按照正弦規(guī)律變化的脈沖信號，逐漸加大輸入信號正弦變化的頻率，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時正弦變化的頻率定義為伺服驅(qū)動器速度響應(yīng)頻率，速度帶寬測試平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-2所示。

　　加速性能測試方法：采用階躍響應(yīng)的測試方法，本例中就是直接給一個2500轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，用示波器觀察電機(jī)里電流波形。如圖3-3所示，本例中整個加速到穩(wěn)定的時間小于30ms。

　　3、定位精度與重復(fù)定位精度測試

　　伺服驅(qū)動器控制交流永磁同步伺服電機(jī)最終定位點(diǎn)和目標(biāo)值的靜態(tài)誤差稱為定位精度。重復(fù)定位精度是在相同轉(zhuǎn)速和加減速條件下電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，連續(xù)得到結(jié)果的偏差程度。

　　重復(fù)定位精度測試方法：自制脈沖發(fā)生器分別以三種不同的頻率發(fā)送脈沖給伺服驅(qū)動器。脈沖數(shù)為30000?？刂扑欧姍C(jī)正轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)，然后反轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)，觀察定位位置與起始位置之間的誤差以及每次定位位置的差異，并記錄三組數(shù)據(jù)。然后控制伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)，然后反轉(zhuǎn)20轉(zhuǎn)，再記錄三組數(shù)據(jù)。

　　位置偏差檢測：如圖3-4所示，將激光筆固定于電機(jī)軸上，每次運(yùn)行停止時，記錄測試墻面光點(diǎn)的位置，記錄其誤差。

　　測試實(shí)驗(yàn)分如下兩步做：

　　1） 測試脈沖的發(fā)送頻率定為500hz，發(fā)生周期為3s，即每隔3s發(fā)送1500個脈沖，此時伺服驅(qū)動器的電子齒輪比為100/3；則正轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)，然后反轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)停止（經(jīng)過電子齒輪變速后電機(jī)每轉(zhuǎn)1圈需要，10000個脈沖，電機(jī)會每隔3秒轉(zhuǎn)半圈），電機(jī)軸與墻面直接的距離是3m，激光筆投射到墻面上的最大偏差為2mm，經(jīng)過多次測試其結(jié)果一致。利用三角函數(shù)關(guān)系可以算出偏差角度，再以360°對應(yīng)300脈沖，計(jì)算結(jié)果是定位精度小于1個脈沖。即伺服電機(jī)定位精度為1個脈沖，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　2） 測試脈沖的發(fā)送頻率定為500hz，發(fā)生周期為3s，即每隔3s發(fā)送1500個脈沖，此時伺服驅(qū)動器的電子齒輪比為100/3；則正轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)，然后反轉(zhuǎn)20轉(zhuǎn)停止，電機(jī)軸與墻面直接的距離是3m，激光筆投射到墻面上的最大偏差也為2mm，經(jīng)過多次測試其結(jié)果一致。計(jì)算結(jié)果是定位精度小于1個脈沖。即伺服電機(jī)重復(fù)定位精度為1個脈沖，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　回顧國內(nèi)對伺服技術(shù)的研究已經(jīng)很接近國外水平，但這些研究成果多停留在理論層面，沒有產(chǎn)品化。國產(chǎn)伺服驅(qū)動器的發(fā)展由于起步晚，還停留在對可靠性、抗干擾性考量的層面，對性能的研究才逐步成為國產(chǎn)伺服驅(qū)動器開發(fā)廠家的課題。隨著電子器件的發(fā)展、電子加工技術(shù)的發(fā)展，以及國產(chǎn)伺服廠家的成長，相信可靠性更高、性能更優(yōu)良、功能更強(qiáng)大的伺服驅(qū)動產(chǎn)品會出現(xiàn)。