摘要：根據(jù)伺服系統(tǒng)的性能和特點，提出了伺服分析的主要方法與檢測手段。專門為伺服系統(tǒng)量身定制了伺服分析與檢測平臺，為伺服電機與伺服驅(qū)動器的集成檢測和特性分析提供了一種全新的解決方案和一套性能優(yōu)良、功能齊全、操作簡單、使用方便的試驗設備。

      伺服分析不是測電機

      目前伺服電機和伺服驅(qū)動器的生產(chǎn)廠家和系統(tǒng)集成商均缺少對伺服系統(tǒng)進行在線調(diào)試和帶載特性分析的試驗設備。普遍根據(jù)個人經(jīng)驗進行調(diào)試，模擬加載平臺主要是數(shù)控機床或傳統(tǒng)的電機測試設備。這種調(diào)試盲目性大，調(diào)試周期長，很難保證伺服系統(tǒng)的參數(shù)整定到最佳狀態(tài)。

      在數(shù)控機床上進行模擬試驗是不得已的辦法，而傳統(tǒng)的電機測試設備主要是用于電機的參數(shù)測試和產(chǎn)品檢驗，這些設備在功能設計、技術(shù)性能以及測試軟件等方面都是根據(jù)電機測試的技術(shù)規(guī)范而不是電機與控制系統(tǒng)的集成檢測而設計的。簡單的電機測試，固定的加載模式以及有限數(shù)量的采集數(shù)據(jù)，對全面分析伺服系統(tǒng)的特性是遠遠不夠的。 

      什么是伺服分析？ 

      測試是分析的基礎，分析又是調(diào)試的基礎。想要實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的準確調(diào)試，必須分析伺服系統(tǒng)的各項特性，包括靜態(tài)、動態(tài)以及瞬態(tài)特性。而要進行全面的伺服特性分析，首先要對伺服系統(tǒng)進行全面的測試。因此，伺服特性分析以及調(diào)試技術(shù)的研究，就是尋找對伺服系統(tǒng)進行性能測試和分析的方法以及實現(xiàn)在線調(diào)試伺服系統(tǒng)的技術(shù)。

      伺服分析是伺服系統(tǒng)特性分析的簡稱，是伺服電機與伺服控制器的集成測試。在特別設計的伺服試驗與檢測平臺上，對伺服電機進行各種加載試驗，包括靜態(tài)試驗、動態(tài)試驗、瞬態(tài)試驗、周期循環(huán)試驗以及堵轉(zhuǎn)、反拖等極限試驗。在試驗過程中，具有高速數(shù)據(jù)采集能力的計算機實時監(jiān)測伺服電機的機電參數(shù)，包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率和效率等。根據(jù)實時記錄的數(shù)據(jù)表和波形圖來進行詳細的伺服分析，特別是控制器內(nèi)部參數(shù)對伺服系統(tǒng)特性的影響。

      伺服分析與電機測試對比如下。從中我們可以看到，無論是試驗項目、測試參數(shù)、數(shù)據(jù)采集以及測試軟件，兩者都有很大的差異。此外，對于航空、航天和兵器裝備中的伺服系統(tǒng)，還設計有很多特殊的試驗項目，以滿足其特殊的軍事應用。

測控系統(tǒng)

測控設備

試驗臺架

      為適應多規(guī)格品種的電機安裝，特別設計了機電一體化的試驗臺架。其主要特點是：

      扭矩傳感器通過安裝底座連接加載電機和被測電機，確保運行的穩(wěn)定性和同心度。

      被測電機安裝在可升降臺板上，并可使用 X-Y 調(diào)節(jié)板進行水平調(diào)節(jié)。

      變頻器安裝在試驗臺箱體內(nèi)，實現(xiàn)試驗平臺的機電一體化，提高可靠性。

      高強度鋁型材機架，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，美觀大方。

      分析實例

      以下是對一個交流伺服系統(tǒng)進行的啟動加載試驗的伺服分析實例。從測試曲線中我們可以非常直觀的看到在啟動、加載的瞬間和動態(tài)區(qū)域內(nèi)，伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化過程。

      因此，只有通過伺服分析，才能明明白白的知道我們自己產(chǎn)品到底如何？與其它公司產(chǎn)品比較有什么差異？而差異又在什么地方？

      德國KEB交流伺服系統(tǒng)，電機額定轉(zhuǎn)矩3.2 Nm，額定轉(zhuǎn)速 3,000 rpm。

      該伺服系統(tǒng)啟動特性測試曲線如圖所示，試驗轉(zhuǎn)速500 rpm，加載轉(zhuǎn)矩5 Nm。

      有了伺服特性曲線，我們可以從不同的角度來分析伺服系統(tǒng)的特性。

      對此伺服系統(tǒng)，我們的分析如下：

      電機從零轉(zhuǎn)速到500 rpm的啟動時間為1.5 秒。轉(zhuǎn)速上升非常平滑，無過沖。

      電機輸出轉(zhuǎn)矩的上升也非常迅速和平滑，時間約1秒鐘。

      請?zhí)貏e注意，當轉(zhuǎn)速快接近設定值 500 rpm 時，轉(zhuǎn)矩上升出現(xiàn)了拐點（3.5 Nm和3秒點）。我們認為這是為了保證轉(zhuǎn)速上升的穩(wěn)定性和準確性，采取了特別控制的策略。由此可見，KEB伺服控制器的控制策略有獨到之處，這一點值得我們學習和借鑒。

      提示：帶載啟動是一種特殊的交流測功機之加載方式，高標公司獨創(chuàng)。它要求加載電機與原動機同時啟動，即在原動機啟動的瞬間同步產(chǎn)生加載轉(zhuǎn)矩并保持恒定。

       結(jié)束語

      根據(jù)伺服系統(tǒng)的性能和特點，提出了伺服分析的主要方法與檢測手段。專門為伺服系統(tǒng)量身定制了伺服分析與檢測平臺，并對交流測功機、測功機控制器和扭矩傳感器等主要測控設備進行了創(chuàng)新性的設計與應用，為伺服電機與伺服驅(qū)動器的集成檢測和特性分析提供了一種全新的解決方案和一套性能優(yōu)良、功能齊全、操作簡單、使用方便的試驗設備。

      到目前為止，重慶高標公司設計和制造的測試系統(tǒng)已交付兵器部五八所、武漢華中數(shù)控、中船重工武漢七一二研究所、北京航天部二院等多家單位。使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)技術(shù)先進、性能穩(wěn)定、操作簡單、使用方便，為客戶的產(chǎn)品研發(fā)發(fā)揮了重要的作用。

作者簡介

      李茂森，重慶市高標科技有限公司總工程師，Email：amir-li@stp-dyno.com