伺服驅(qū)動器的測試方法

　　國產(chǎn)伺服產(chǎn)品技術攻關大多數(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)在關鍵器件的電應力和熱應力的可靠性，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、速度響應、定位精度和重復定位精度的測試方法。

　　電源與器件可靠性測試方法

　　1、輔助電源短路保護測試

　　輔助電源不僅給控制芯片、驅(qū)動芯片、接口電路、風機供電，而且伺服驅(qū)動器給外部提供24V電源。所以開關電源短路保護功能尤為重要，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，測試輔助電源的保護功能。

　　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：

　　

　　試驗結(jié)果表明，在5V，24V短路時，芯片都進入打嗝狀態(tài)，即滿足輸出短路保護試驗要求。

　　2、輔助電源Topswitch電壓應力試驗

　　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，可判斷Topswitch電壓應力是否合格。

　　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電壓應力是否合格。

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

　　

　　

　　當將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，避免直臂導通等嚴重的短路故障。

　　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)的沖擊都是很關鍵的問題，本設計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。

　　

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

　　

　　6、IPM開通關斷延時測試

　　IPM內(nèi)部IGBT的開通與關斷波形直接影響到IPM工作的可靠性，如果開通和關斷時間太長，必然有兩種情況發(fā)生，一是上下開關管直臂導通造成短路故障，二是IGBT的開通和關斷損耗導致IPM發(fā)熱嚴重，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關斷信號延時500ns，滿足要求。

　　

　　7、熱應力測試

　　作為一個產(chǎn)品，使用者最關心的是產(chǎn)品的可靠性，可靠性不僅僅包括了產(chǎn)品各個器件的電應力，也包括了熱應力，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℃，本實驗是在環(huán)境溫度22.5℃下測試。由熱學基本知識可以知道，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，本設計中整機下半部分模塊發(fā)熱不會對上半部分空間器件發(fā)熱產(chǎn)生影響，開關電源部分的器件發(fā)熱量空載與滿載差別不大。各個關鍵元件溫度與最大溫升如下表2-6所示，最高溫升26.8度，完全滿足設計要求。（單位為攝氏度）

　　

　　性能測試方法

　　1、力矩響應測試

　　測試方法：把被測目標電機和電機軸固定裝置（徑向可旋轉(zhuǎn)，也可以固定，類似于機床常用的分度頭）穩(wěn)固的固定在實驗臺上，并且保證電機軸和固定裝置中心同心，把電機軸用固定裝置固定，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時間。

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

　　

　　實驗步驟：

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

　?。?）伺服OFF，分度頭固定電機軸，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)電機軸位置，同時觀測示波器上顯示U相電流的變化，當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電流波形和力矩波形，示波器不能有濾波，保存實驗波形，并做好記錄。再重復做本實驗5次，共保存3次相同條件下的電流響應波形。

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

　　本例中力矩環(huán)響應時間小于4毫秒。

　　2、速度響應測試

　　速度帶寬測試方法：調(diào)整伺服驅(qū)動器參數(shù)使電機空載響應性能最佳，將最大轉(zhuǎn)速限制在3000RPM，電流設定為電機額定電流。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，當電機堵轉(zhuǎn)時正弦變化的頻率定義為伺服驅(qū)動器速度響應頻率，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、定位精度與重復定位精度測試

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

　　重復定位精度測試方法：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軸上，每次運行停止時，記錄測試墻面光點的位置，記錄其誤差。

　　

　　測試實驗分如下兩步做：

　　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每轉(zhuǎn)1圈需要，10000個脈沖，電機會每隔3秒轉(zhuǎn)半圈），電機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)關系可以算出偏差角度，再以360°對應300脈沖，計算結(jié)果是定位精度小于1個脈沖。即伺服電機定位精度為1個脈沖，滿足設計要求。

　　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。計算結(jié)果是定位精度小于1個脈沖。即伺服電機重復定位精度為1個脈沖，滿足設計要求。

　　總結(jié)

　　回顧國內(nèi)對伺服技術的研究已經(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、功能更強大的伺服驅(qū)動產(chǎn)品會出現(xiàn)。