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伺服系统特性分析与检测平台的设计与应用-时光科技有限公司-中国传动网应用案例

信息来源:chuandong.biz  时间:2009-09-17  浏览次数:87

  摘要:采用交流测功机设计的一种新型伺服系统特性分析与检测平台,实现了伺服电机与伺服驱动器的集成检测。独创的转矩闭环控制策略和可编程交流测功机控制器的运用,实现了DTC 直接转矩控制与转矩闭环控制的完美结合,极大的提高了测控系统的控制精度和动态响应特性,为实验室和生产线应用的提供了一套技术先进、功能齐全、操作简单、使用方便的智能仪器。在测试精度、测试速度、测试方法和操作使用等方面都大大优于传统的电机测试平台,并有广泛的通用性、灵活性和实用性。
  0引言:好功夫是练出来的,好产品是验出来的
  伺服技术即高精度的跟踪与定位技术,广泛应用于雷达、飞机、坦克、火炮、舰船等国防军事装备以及数控机床、机器人和生产线等工业自动化领域。按照电机来分类,主要有直流伺服系统,交流伺服系统和步进伺服系统三种。交流伺服是目前的主导产品,也是未来的发展方向。随着伺服技术的不断发展和现代化生产规模的不断扩大,各个行业对伺服系统的需求日益增大,并对其性能提出了更高的要求。因此积极研发和制造高性能、高可靠性的新型交流伺服是各工业国家竞相努力的目标,对国家的现代化工业建设和国防建设都有着十分重要的意义。
  在大力开展新的伺服产品研制和改进生产工艺的同时,加强伺服系统测试技术的研究和检测平台的建设尤为重要。俗话说,好功夫是练出来的,好产品是验出来的。只有在先进的检测平台上对伺服系统进行集成评测,以独立、客观、科学、实用的测试数据为依据,才能把握产品的真实资料,确保我们的伺服产品达到设计的要求,为伺服系统的设计改进提出合理的建议。
  本文介绍重庆高标科技有限公司专门为交流伺服系统量身定制的特性分析与检测平台的设计与应用。该平台采用了先进的交流测功机技术、数字信号处理技术、计算机虚拟仪器以及高标公司独创的转矩控制策略,实现了交流测功机直接转矩控制(DTC)与转矩闭环控制的完美结合,极大的提高了测控系统的控制精度和动态响应特性,为交流伺服系统的特性分析和参数测试提供了先进的检测手段和测控方案。
  本系统首次使用了高标公司最新研制的 D8001 型高速可编程交流测功机控制器,为检测平台的测量与控制提供了一套性能优良、功能齐全、操作简单、使用方便的智能仪器,并具有广泛的通用性、灵活性和实用性。因此,本系统也适用于其它伺服系统、特种电机以及汽车/摩托车/航空/航天/兵器等装备中的零部件以及产品的快速合格与不合格检验。
  1伺服分析不是测电机
  1.1伺服系统的主要特性
  交流伺服的性能和技术指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性等几个方面来衡量,其最大的特点是:“稳、准、快”,即稳定性好、精确度高和响应速度快。
  (1)调速范围大,且几乎在整个转速范围内为恒转矩输出。低档的伺服系统调速范围在1:1,000 以上,一般的在1:5,000~1:10,000,高性能的可以达到1:100,000 以上。
  (2)定位精度高,低速转矩脉动小。伺服系统的定位精度一般都要达到 ±1 个脉冲,稳速精度,尤其是低速下的稳速精度很好。比如给定 1rpm 时,一般的误差在 ±0.1rpm 以内,高性能的可以达到 ±0.01rpm 以内。
  (3)动态响应快,转动惯量小。衡量伺服系统动态响应的指标是系统的最高响应频率,即给定最高频率的正弦速度指令,系统输出速度波形的相位滞后不超过 90° 或者幅值不小于50%。进口三菱伺服电机 MR-J3 系列的响应频率高达 900Hz,国内主流产品的响应频率一般在 200~500Hz。
  (4)运行稳定性方面主要是指系统在电压波动、负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰、以及其它特殊运行条件下,维持系统稳定运行并保证一定的性能指标的能力。
  (5)功率密度大,体积小。常用的功率范围小于 15kW,电机规格从 60 到 190。
  1.2传统的测试方法和存在的问题
  伺服系统是数控设备之运动控制的最终执行机构,其工作性能的优劣对数控设备的精度有直接的影响。而伺服系统的主要特性和参数与负载有密切的关系。因此,只有在带有负载情况下进行在线调试,才能保证伺服系统的各项静态和动态性能,使其工作于最佳状态。
  目前伺服系统的生产单位和系统集成厂家均缺少对伺服系统进行带载动态性能分析和在线调试的试验设备和检测手段,普遍根据个人的经验进行调试,模拟加载平台主要是数控机床或传统的电机测试设备。这种调试方法盲目性大,调试周期长,很难保证伺服系统的各个参数整定到最佳状态。
  在数控机床上进行模拟加载试验是不得已的办法,而传统的电机测试设备主要是用于电机的参数测试和产品检验,设备的功能设计、技术参数以及测试软件都是根据电机的技术规范而不是电机与控制系统的集成检测而设计的。简单的稳态试验,固定的加载模式以及有限数量的采集数据,对全面分析伺服系统的特性是远远不够的。
  1.3什么是伺服分析?
  测试是分析的基础,分析又是调试的基础。想要实现伺服系统的准确调试,必须进行伺服系统的特性分析。而要进行全面的伺服特性分析,首先要对伺服系统的静态、动态以及瞬态性能进行全面的测试。因此,伺服特性分析以及调试技术的研究,就是寻找对伺服系统进行动态性能测试和分析的方法以及实现在线调试伺服系统的技术。
  伺服分析是伺服系统特性分析的简称,是伺服电机与伺服控制器性能参数的集成测试。伺服分析是在专用的伺服分析与检测平台上,通过对伺服电机和控制器进行各种加载试验,包括静态试验、动态试验、瞬态试验、周期循环试验以及堵转、反拖等极限试验。在试验过程中,具有高速数据采集能力的计算机实时监测伺服电机的机械特性,包括转速、转矩、功率和效率等。根据实时记录的数据表和波形图来详细的分析伺服系统的特性,特别是控制器参数对伺服系统特性的影响,为控制器的参数调整和设计改进提供依据。
  表 1 是伺服分析与电机测试的基本内容和试验方法的对比。从表中我们可以看出,无论是试验项目、测试参数、数据采集以及测试软件,两者都有很大的差异。此外,对于航空、航天和兵器装备中的伺服系统应用,还需要专门设计一些特殊的试验项目,以满足其特殊的需求。
  表1:伺服分析与电机测试对比
  主要内容伺服分析电机测试
  设备用途产品研发产品检验
  应用场合实验室和研发中心生产线和质检站
  主要功能伺服系统的集成特性分析产品合格/不合格检验
  试验方法特定的加载试验执行国家标准和产品技术规范
  试验结果实时波形图和数据表电机测试报告
  1.4主要测试项目
  伺服系统的特性分析包括系统的静态特性和动态特性两个方面。在测试与分析方面,系统静态特性的测试和分析相对来说比较容易,而动态特性的测试和分析则要困难得多。在调试技术方面,离线调试比较容易实现,而带负载的在线调试则困难得多。交流伺服系统测试与分析的主要内容有以下各项。
  (1)时域阶跃响应测试
  任意输入基速、阶跃量及运行时间的组合,测试阶跃响应特性,从而得到在不同负载条件下的超调量、上升时间 、振荡次数等指标。
  (2)频域特性测试
  输入基速及正弦波的幅值,经测量后可给出频域特性曲线,从而得到标称角频率、频带宽度和谐振峰值等重要指标。
  (3)加载速降测试
  通过在不同转速下的加载测试,可测得空载转速 、加载转速 Ⅳ 、加载转矩,从而得到不同转速和转矩下的转差率的大小。
  (4)其它测试功能
  除了以上测试功能外,还可以对伺服系统的零漂、伺服增益、正反转速差进行测试。测试过程自动完成,测试结果打印输出。
  1.5总体要求
  目前,许多测功机、传感器和电机测试设备的生产厂家都声称自己的设备可以做伺服分析。从试验方法和测控设备来看,伺服分析和电机测试都是对电机进行加载试验,测控设备也大同小异,包括测功机,扭矩传感器,测功机控制器和电机测试软件等。
  但是,伺服分析对测控设备的总体要求与电机测试有很大的差异,其中加载装置的转矩动态响应和转矩控制精度是其关键技术和难点,包括快速性、准确性、稳定性和可靠性等。
  (1)快速性
  快速性反映了加载电机的转矩动态响应特性,其技术指标是加载转矩从零到100% 额定转矩的阶跃上升时间。对伺服分析系统来说,要求动态响应时间越短越好。
  在提供各种类型测试台应用的交流传动方面,ABB 变频器享有极高的声誉。由于采用了一种叫做 DTC 直接转矩控制的变频调速技术,动态响应时间小于 5 毫秒(最新资料公布的数据为 1.6 毫秒)。就目前所有的测功机技术而言,DTC 是无与伦比的。
  因此,我们认为只有 DTC 交流测功机才能满足伺服分析系统所需要的快速性。
  (2)准确性
  做伺服分析,只有快速性是不够的。还必须精确的控制加载电机的转矩,实现准确的加载。
  加载电机的准确性和转矩控制精度与测量范围有关。常用伺服系统的功率一般在 15kW 以下,电机的额定转矩从 2.2 Nm 到 50 Nm 不等,属于小功率特种电机。如果要从最小的 2.2 Nm 开始到 50 Nm 系列的伺服电机进行加载试验,加载转矩控制的准确性必须达到 0.1Nm。按照 50Nm 为满量程计算,转矩控制精度就必须达到 0.2%。
  如何实现交流测功机精确的转矩控制,一直是大家所研究的重要课题,也是一个很大的难题。由于种种原因,很多厂家不愿意提及自己设备的控制精度,这对用户是不负责任的。
  重庆高标科技有限公司在 ABB 传动部的大量支持与帮助下,经过长期深入的研究与试验,独创了一种新的转矩控制策略,解决了交流测功机的转矩控制之难题,转矩控制精度达到了 0.1%。从目前我们掌握的资料和信息来看,高标公司的技术是最先进的。
  (3)稳定性
  传统的磁粉制动器和磁滞测功机是中小型电机测试的主要加载装置。这两种测功机都属于能量吸收型测功机,自身吸收的能量需要通过风冷或水冷排出去,长时间加载运行将会由于内部温度升高而造成加载转矩不稳定,从而影响加载试验的重复性。此外,转矩控制特性也不好。
  交流测功机是一种电力测功器,加载电机吸收的能量可以通过变频器消耗在外接的电阻器上,也可以直接回馈电网或被其它变频器所利用。因此,在变频器控制之下的加载电机发热量很小,工作状态非常稳定,并且具有高效节能、高可靠性和免维护之特点。
  (4)可靠性
  作为伺服分析系统,就如同医院里的 CT 机和心电仪一样,测量与控制必须非常的可靠,这样才能提供准确的数据来进行伺服分析。伺服分析系统的可靠性来自多方面的性能和质量保障,包括加载装置的可靠性,测量信号的可靠性,数据采集和转换的可靠性以及机电传动机构的可靠性等。因此,需要从系统的各个方面来分析和确定系统的各项性能和参数,最终确保系统的可靠性。
  1.6主要功能和技术指标
  CMTS 1550 客制电机测试系统是重庆高标公司为伺服分析而设计的一个定制设备,能够进行 15 kW 以下伺服电机和伺服驱动器的集成检测和特性分析。应用场合以产品研发中心和实验室为主,也可用于产品生产线。
  CMTS 1550 的总体性能达到了当前电机测试的最高水平,其技术指标可以作为伺服分析系统的典型数据。我们自己认为,如果缺少这些功能和达不到这些技术指标,就不能算是伺服分析,而只能还是在测电机。
  ?被测电机规格:60、80、90、110、130、150、190。
  ?模拟加载装置:交流测功机,额定功率15 kW,额定矩扭50 Nm。
  ?转矩控制模式:直接转矩控制(无扭矩传感器)/转矩闭环控制(带扭矩传感器)。
  ?转速控制模式:转速闭环控制(带转速脉冲编码器)。
  ?转矩测量/反馈:德国ETH扭矩传感器,测量范围0…50Nm,精度0.5%(满量程),
  转矩动态响应时间(10% 到 90% 转矩阶跃上升时间)小于 2 ms。
  ?转速测量/反馈:增量式脉冲编码器,每转8,000个脉冲,转速分辨率0.01 rpm。
  ?转矩动态特性:转矩动态响应时间(0到100%额定转矩阶跃加载时间)小于5 ms。
  ?速度调节范围:主传动轴 0 rpm…6,000 rpm/副传动轴 0 rpm…12,000 rpm。
  ?转矩控制精度:3%(开环)/0.1%(闭环)。
  ?转速控制精度:0.1%(开环)/0.01%(闭环)。
  2平台设计和主要设备
  2.1测控系统设计要点
  如何选用先进而可靠的测控设备来搭建一个测控系统,为用户提供一套性能优良,功能齐全,操作简单,使用方便的测控仪器,是我们研发伺服分析系统的设计要点和努力方向。
  为了避免使用传统的工业计算机、数据采集卡、单片机等来搭建测控系统的设计思路,提高测控设备的通用性、灵活性、可靠性和降低成本。我们学习和参考国外公司的先进设计理念,以我们自己研发的 D8001 型可编程交流测功机控制器为核心,对电机加载、数据采集、计算机通讯和测试软件等进行了多方面的创新和改进。我们所使用的技术全部具有当今世界电机测控的最高水平,包括最新的工业标准技术、实验室技术和自有知识产权技术。
  伺服分析测控系统控制框图如图所示,全部测控设备实现了模块化、柔性化和智能化。主要测控设备有:
  ?加载电机(三相交流异步电动机),额定功率 15 kW。
  ?ABB 公司 ACS800 系列变频器,能耗吸收型。
  ?D8001 高速可编程交流测功机控制器,高标公司新产品。
  ?德国 ETH 公司扭矩传感器,量程 50 Nm,测量误差小于 0.5%。
  ?CMTS 8.0 电机测试软件,用于计算机数据采集和分析处理。
  图1:伺服分析测控系统控制框图
  2.2试验台架
  交流伺服电机在外型和结构上的特点是体积小,品种规格多,15kW以下交流伺服电机的规格就有60、80、90、110、130、150和190共七种。这就要求测试平台必须兼容所有电机的安装和定位,并且对轴连接的同心度、位置偏差、台架振动以及快速安装和拆卸等方面都有很高的要求。
  为此,我们借鉴和参考了大量国内外测试台架,针对实验室应用的特点,设计了一款适应多种电机安装的组件式的试验台架。其特点是:布局合理,结构紧凑,工艺先进,使用方便。
  变频器和能耗电阻安装在台架内部,测试台安装的典型部件有:
  ?高强度重载荷铝型材测试台架。
  ?带T型槽平板及加载电机安装底座。
  ?带升降和锁紧机构的被测电机安装平台。
  ?带刻度和锁紧的 X-Y 两坐标移动平台。
  ?同步升速传动机构(高速试验用)。
  ?高精度扭矩传感器,主副轴各一只。
  ?电机快速安装和定位夹具。
  ?现场控制器接线和配电箱。
  图2:试验台架实物
  图3:试验台架结构示意图
  2.3扭矩传感器
  加载电机与被测伺服电机之间是扭矩传感器,传感器两端使用弹性联轴器相互连接。加载电机的主轴为主传动,轴上有一个同步皮带传动机构,可以在副传动轴上提升 2 到 4 倍的转速,用于伺服系统的高速性能试验。
  扭矩传感器选配德国 ETH 公司 DRBK 50 型高精度传感器,测量范围 50 Nm,测量误差小于 0.5%,转矩动态响应时间小于 2 毫秒。
  图4:机械传动和扭矩传感器
  扭矩传感器的测量信号是伺服分析的主要数据,同时也是交流测功机转矩闭环控制的反馈信号。需要特别强调的是,扭矩传感器的动态响应时间对实现交流测功机的转矩闭环控制并保证其高精度非常必要,这一点往往被大家所忽视。

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