伺服驅(qū)動(dòng)器測(cè)試技巧

1、伺服驅(qū)動(dòng)器測(cè)試方法 一臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在可靠性、功能、性能三個(gè)方面，功能往往與針對(duì)市場(chǎng)的行業(yè)背景相關(guān)，本文只針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器可靠性、基本性能兩個(gè)方面探討幾種簡(jiǎn)單的測(cè)試方法。1概述：國(guó)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(chǎng)認(rèn)可，才能真正帶給它的用戶以價(jià)值。國(guó)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(dòng)對(duì)電路功性能的影響，本文以一個(gè)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

2、在其中。本文在探討性能測(cè)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(cè)試方法。2 電源與器件可靠性測(cè)試方法2.1輔助電源短路保護(hù)測(cè)試輔助電源不僅給控制芯片、驅(qū)動(dòng)芯片、接口電路、風(fēng)機(jī)供電，而且伺服驅(qū)動(dòng)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(gè)點(diǎn)，測(cè)試輔助電源的保護(hù)功能。測(cè)試時(shí)，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(gè)實(shí)際產(chǎn)品為例討論。測(cè)試方法就是將其

3、中一路短路，測(cè)量另外一路輸出。l5V短路，量測(cè)24V輸出，如表2-1所示：表2-1 5V短路測(cè)試條件項(xiàng)目400Vdc要求(V)最大最小24V電壓（V)19.55.00-26 l24V短路，量測(cè)5V輸出，如表2-2所示： 表4-2 24V短路測(cè)試條件項(xiàng)目400Vdc要求(V)最大最小5V電壓（V)500-5.25試驗(yàn)結(jié)果表明，在5V，24V短路時(shí)，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。2.2 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(dòng)器的可靠性和壽命

4、，測(cè)試方法是通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)輔助電源輸入電壓，測(cè)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(shí)，VDS電壓最高，測(cè)量這個(gè)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(shí)，VDS會(huì)特別高，需要判斷短路時(shí)Topsweitch電壓應(yīng)力是否合格。l未短路時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)如下表2-3所示，實(shí)拍波形如圖2-1所示：表2-3 VDS電壓測(cè)試條件項(xiàng)目311Vdc400Vdc規(guī)格要求(V)空載滿載空載滿載VDS450460540563700圖2-1 輸出未短路時(shí)VDS電壓波形當(dāng)將5V短路時(shí)，在DC400V的輸入下VDS電壓為650V 小于700

5、，滿足規(guī)格要求。5V短路，VDS輸出波形如圖2-2：圖2-2 輸出短路時(shí)VDS電壓波形2.3輔助電源啟動(dòng)測(cè)試輔助源啟動(dòng)時(shí)間對(duì)伺服產(chǎn)品可靠性來說很重要，特別是對(duì)功率器件與功率器件驅(qū)動(dòng)上電時(shí)序的影響很重要，在功率器件必須保證在其驅(qū)動(dòng)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(huì)有誤動(dòng)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(shí)，測(cè)試得到5V輸出啟動(dòng)延時(shí)為180ms，小于IPM上電啟動(dòng)時(shí)間，可以保證IPM驅(qū)動(dòng)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(shí)波形如圖2-3所示：l正弦信號(hào)為50Hz輸入波形l直線型信號(hào)為輔助源5V輸出信號(hào)圖

6、2-3 輔助電源啟動(dòng)波形2.4輔助電源紋波及噪聲測(cè)試（1）輸出電壓測(cè)試：分別在不同母線，滿載情況下，測(cè)試各路電壓值如表2-4所示：（單位：V）表2-4 輔助源輸出電壓測(cè)試母線電壓（V）24V輸出5V輸出20023.4V5.02V31123.5V5.02V40023.3V5.02V規(guī)格要求2225V4.75-5.25V測(cè)試結(jié)果：合格。（2）輸出電壓紋波測(cè)試：分別在不同母線電壓情況下測(cè)試滿載電壓情況下紋波如表2-5所示(單位：mV)表2-5 輔助源輸出電壓紋波測(cè)試母線+24V+5V20V-UDC 200V433652DC 311V564554DC 400V545058規(guī)格要求5%（1.2V）5%（

7、0.25V）5%（1V） 測(cè)試結(jié)果：合格。2.5母線整流電路測(cè)試（1）整流延遲和整流電路啟動(dòng)對(duì)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(dòng)波形如圖2-4所示，啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間為125ms，滿足要求。圖2-4 整流電路時(shí)延測(cè)試（2）圖2-4可以反映儲(chǔ)能電容充電時(shí)間，從安全等角度來講，放電時(shí)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(shí)間為7s，滿足要求。圖2-5 儲(chǔ)能電容空載放電時(shí)延測(cè)試2.6 IPM開通關(guān)斷延時(shí)測(cè)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(shí)間太長(zhǎng)，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

8、耗導(dǎo)致IPM發(fā)熱嚴(yán)重，長(zhǎng)期工作不僅會(huì)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)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(hào)為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，IGBT開通信號(hào)延時(shí)500ns，滿足要求。圖2-6 逆變IGBT開通時(shí)延測(cè)試如圖2-7所示，上面信號(hào)為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，IGBT關(guān)斷信號(hào)延時(shí)500ns，滿足要求。圖2-7 逆變IGBT關(guān)斷時(shí)延測(cè)試2.7 熱應(yīng)力測(cè)試作為一個(gè)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(gè)器件的電應(yīng)力，也包括了熱應(yīng)力，研究每個(gè)發(fā)熱元件的溫升顯得尤為重要。測(cè)試條件：l整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)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(cè)試。溫升就是被測(cè)元件溫度與環(huán)境溫度的差值，本

9、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(cè)試。由熱學(xué)基本知識(shí)可以知道，在環(huán)境溫度為45時(shí)的元件溫度就是45加常溫下的溫升。測(cè)試證明，本設(shè)計(jì)中整機(jī)下半部分模塊發(fā)熱不會(huì)對(duì)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(gè)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）表2-6關(guān)鍵元件溫升測(cè)試數(shù)據(jù)環(huán)境溫度22.522.422.622.522.8溫升測(cè)試點(diǎn)10min20min30min40min50min784046.746.64950.150.426.4整流橋40.63839.540.640.816.8I

10、PM散熱器邊緣3536.938.238.639.615.6散熱器邊緣34.236.137.63838.914.9DSP2823241.443.545.446.346.822.8變壓器包線3538.842.244.245.521.5熱敏電阻3435.437.338.539.315.3TOP255正面36.839.341.642.743.519.5變壓器骨架33.638.242.144.245.921.93 性能測(cè)試方法3.1力矩響應(yīng)測(cè)試測(cè)試方法：把被測(cè)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(tái)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

11、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(shí)間即可反映力矩響應(yīng)時(shí)間。觀測(cè)方法：用示波器觀測(cè)，觀察時(shí)間軸設(shè)置為1ms，電流上升時(shí)間即為力矩響應(yīng)時(shí)間。圖3-1力矩響應(yīng)測(cè)試平臺(tái)示意圖實(shí)驗(yàn)步驟：1）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(dòng)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(dòng)器輸出的U相上，用示波器觀測(cè)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(shí)觀測(cè)示波器上顯示U相電流的變化，當(dāng)U相電流最大的時(shí)候，停止旋轉(zhuǎn)分度頭

12、，伺服OFF，鎖住固定裝置。3）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。4）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(shí)間小于4毫秒。3.2速度響應(yīng)測(cè)試速度帶寬測(cè)試方法：調(diào)整伺服驅(qū)動(dòng)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(hào)發(fā)生器發(fā)一個(gè)頻率按照正弦規(guī)律變化的脈沖信號(hào)，逐漸加大輸入信號(hào)正弦變化的頻率，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)正弦變化的頻率定義為伺服

13、驅(qū)動(dòng)器速度響應(yīng)頻率，速度帶寬測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-2所示。圖3-2速度帶寬測(cè)試平臺(tái)示意圖加速性能測(cè)試方法：采用階躍響應(yīng)的測(cè)試方法，本例中就是直接給一個(gè)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(gè)加速到穩(wěn)定的時(shí)間小于30ms。圖3-3 轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)圖3.3定位精度與重復(fù)定位精度測(cè)試伺服驅(qū)動(dòng)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(cè)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(dòng)器。脈沖數(shù)為30000?？刂扑欧姍C(jī)正轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)，然后反轉(zhuǎn)1

14、0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(cè)：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(shí)，記錄測(cè)試墻面光點(diǎn)的位置，記錄其誤差。圖3-4定位精度測(cè)試平臺(tái)測(cè)試實(shí)驗(yàn)分如下兩步做：1)測(cè)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(gè)脈沖，此時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)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(gè)脈沖，電機(jī)會(huì)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(cè)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(duì)應(yīng)300脈沖，計(jì)算結(jié)果是定位精度小于1個(gè)脈沖。即伺服電機(jī)定位精度為1個(gè)脈沖，滿足設(shè)計(jì)要求。2)測(cè)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(gè)脈沖，此時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)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