伺服驅動(dòng)器的工作模式與伺服驅動(dòng)器的測試方法

　　伺服驅動(dòng)器是用來(lái)控制伺服電機的一種控制器，伺服驅動(dòng)器其作用類(lèi)似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統的一部分。目前主流的伺服驅動(dòng)器均采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實(shí)現比較復雜的控制算法，實(shí)現數字化、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）為核心設計的驅動(dòng)電路，IPM內部集成了驅動(dòng)電路，同時(shí)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過(guò)程對驅動(dòng)器的沖擊。

　　功率驅動(dòng)單元首先通過(guò)三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應的直流電。經(jīng)過(guò)整流好的三相電或市電，再通過(guò)三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來(lái)驅動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動(dòng)單元的整個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單的說(shuō)就是AC-DC-AC的過(guò)程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。

　　伺服驅動(dòng)器一般可以采用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應用于高精度的定位系統，目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端。隨著(zhù)伺服系統的大規模應用，伺服驅動(dòng)器使用、伺服驅動(dòng)器調試、伺服驅動(dòng)器維修都是伺服驅動(dòng)器在當今比較重要的技術(shù)課題，越來(lái)越多工控技術(shù)服務(wù)商對伺服驅動(dòng)器進(jìn)行了技術(shù)深層次研究。

　　伺服驅動(dòng)器是現代運動(dòng)控制的重要組成部分，被廣泛應用于工業(yè)機器人及數控加工中心等自動(dòng)化設備中。尤其是應用于控制交流永磁同步電機的伺服驅動(dòng)器已經(jīng)成為國內外研究熱點(diǎn)。當前交流伺服驅動(dòng)器設計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)設計合理與否，對于整個(gè)伺服控制系統，特別是速度控制性能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用。

　　在伺服驅動(dòng)器速度閉環(huán)中，電機轉子實(shí)時(shí)速度測量精度對于改善速度環(huán)的轉速控制動(dòng)靜態(tài)特性至關(guān)重要。為尋求測量精度與系統成本的平衡，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：

　?。?）測速周期內必須檢測到至少一個(gè)完整的碼盤(pán)脈沖，限制了最低可測轉速；

　?。?）用于測速的2個(gè)控制系統定時(shí)器開(kāi)關(guān)難以嚴格保持同步，在速度變化較大的測量場(chǎng)合中無(wú)法保證測速精度。因此應用該測速法的傳統速度環(huán)設計方案難以提高伺服驅動(dòng)器速度跟隨與控制性能。

　　伺服驅動(dòng)器的工作模式

　　伺服驅動(dòng)器可以選擇的工作模式有：開(kāi)環(huán)模式、電壓模式、電流模式（力矩模式）、IR補償模式、Hall速度模式、編碼器速度模式、測速機模式、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動(dòng)器中）

　　開(kāi)環(huán)模式

　　輸入命令電壓控制驅動(dòng)器的輸出負載率。此模式用于無(wú)刷電機驅動(dòng)器，和有刷電機驅動(dòng)器的電壓模式相同。

　　電壓模式

　　輸入命令電壓控制驅動(dòng)器的輸出電壓。此模式用于有刷電機驅動(dòng)器，和無(wú)刷電機驅動(dòng)器的開(kāi)環(huán)模式相同。

　　電流模式（力矩模式）

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

　　IR補償模式

　　輸入命令控制電機速度。IR補償模式可用于控制無(wú)速度反饋裝置電機的速度。驅動(dòng)器會(huì )調整負載率來(lái)補償輸出電流的變動(dòng)。當命令響應為線(xiàn)性時(shí)，在力矩擾動(dòng)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速度。此模式利用電機上hall傳感器的頻率來(lái)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動(dòng)應用。

　　編碼器速度模式

　　輸入命令電壓控制電機速度。此模式利用伺服電機上編碼器脈沖的頻率來(lái)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動(dòng)控制。

　　測速機模式

　　輸入命令電壓控制電機速度。此模式利用電機上模擬測速機來(lái)形成速度閉環(huán)。由于直流測速機的電壓為模擬連續性，此模式適合很高精度的速度控制。當然，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的轉動(dòng)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（如可調電位器、變壓器等）。在此模式下，電機速度正比于位置誤差。且具有更快速的響應和更小的穩態(tài)誤差。

　　伺服驅動(dòng)器的測試方法

　　國產(chǎn)伺服產(chǎn)品技術(shù)攻關(guān)大多數還停留在可靠性層面，只有可靠的產(chǎn)品才能被市場(chǎng)認可，才能真正帶給它的用戶(hù)以?xún)r(jià)值。國產(chǎn)伺服可靠性不足集中體現在電源不穩定、器件降額不夠，這些不可靠因素主要表現在關(guān)鍵器件的電應力和熱應力的可靠性，其次還有電磁擾動(dòng)對電路功性能的影響，本文以一個(gè)案例的方式討論電源和器件應力。

　　伺服系統最基本的性能是力矩、轉速、位置的精確性以及響應速度。但凡討論伺服性能，我們必須站在系統層面來(lái)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、驅動(dòng)芯片、接口電路、風(fēng)機供電，而且伺服驅動(dòng)器給外部提供24V電源。所以開(kāi)關(guān)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(gè)點(diǎn)，測試輔助電源的保護功能。

　　測試時(shí)，輔助電源輸入通過(guò)調節直流調壓器給定，將母線(xiàn)電源電壓分別調節到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：

　　試驗結果表明，在5V，24V短路時(shí)，芯片都進(jìn)入打嗝狀態(tài)，即滿(mǎn)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直接影響伺服驅動(dòng)器的可靠性和壽命，測試方法是通過(guò)調壓器調節輔助電源輸入電壓，測量VDS電壓。輸入電壓越高，VDS電壓越高，即在母線(xiàn)規格最大值（DC400V）時(shí)，VDS電壓最高，測量這個(gè)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(shí)，VDS會(huì )特別高，需要判斷短路時(shí)Topsweitch電壓應力是否合格。

　　l 未短路時(shí)測試數據如下表2-3所示，實(shí)拍波形如圖2-1所示：

　　當將5V短路時(shí)，在DC400V的輸入下VDS電壓為650V 小于700，滿(mǎn)足規格要求。

　　5V短路，VDS輸出波形如圖2-2：

　　3、輔助電源啟動(dòng)測試

　　輔助源啟動(dòng)時(shí)間對伺服產(chǎn)品可靠性來(lái)說(shuō)很重要，特別是對功率器件與功率器件驅動(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(guò)程中功率器件不會(huì )有誤動(dòng)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(shí)，測試得到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驅動(dòng)芯片先工作，IPM內部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 正弦信號為50Hz輸入波形

　　l 直線(xiàn)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(xiàn)，滿(mǎn)載情況下，測試各路電壓值如表2-4所示：（單位：V）

　　測試結果：合格。

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

　　測試結果：合格。

　　5、母線(xiàn)整流電路測試

　?。?）整流延遲和整流電路啟動(dòng)對電網(wǎng)的沖擊都是很關(guān)鍵的問(wèn)題，本設計整流電路啟動(dòng)波形如圖2-4所示，啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間為125ms，滿(mǎn)足要求。

　?。?）圖2-4可以反映儲能電容充電時(shí)間，從安全等角度來(lái)講，放電時(shí)間也是很關(guān)鍵的。本設計電容放電波形如圖2-5所示，電容放電時(shí)間為7s，滿(mǎn)足要求。

　　6、IPM開(kāi)通關(guān)斷延時(shí)測試

　　IPM內部IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷波形直接影響到IPM工作的可靠性，如果開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間太長(cháng)，必然有兩種情況發(fā)生，一是上下開(kāi)關(guān)管直臂導通造成短路故障，二是IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷損耗導致IPM發(fā)熱嚴重，長(cháng)期工作不僅會(huì )對伺服驅動(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，上面信號為驅動(dòng)信號，IGBT開(kāi)通信號延時(shí)500ns，滿(mǎn)足要求。

　　如圖2-7所示，上面信號為驅動(dòng)信號，IGBT關(guān)斷信號延時(shí)500ns，滿(mǎn)足要求。

　　7、熱應力測試

　　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)器件的電應力，也包括了熱應力，研究每個(gè)發(fā)熱元件的溫升顯得尤為重要。

　　測試條件：

　　l 整個(gè)伺服驅動(dòng)器放在恒溫箱環(huán)境中。

　　l 環(huán)境溫度為22.5℃。

　　l 滿(mǎn)載滿(mǎn)轉速條件下測試。

　　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(shí)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(huì )對上半部分空間器件發(fā)熱產(chǎn)生影響，開(kāi)關(guān)電源部分的器件發(fā)熱量空載與滿(mǎn)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(mǎn)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，也可以固定，類(lèi)似于機床常用的分度頭）穩固的固定在實(shí)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時(shí)間。

　　觀(guān)測方法：用示波器觀(guān)測，觀(guān)察時(shí)間軸設置為1ms，電流上升時(shí)間即為力矩響應時(shí)間。

　　實(shí)驗步驟：

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

　?。?）伺服OFF，分度頭固定電機軸，電流鉗夾在驅動(dòng)器輸出的U相上，用示波器觀(guān)測U相電流的大小，伺服ON，旋轉固定裝置調節電機軸位置，同時(shí)觀(guān)測示波器上顯示U相電流的變化，當U相電流最大的時(shí)候，停止旋轉分度頭，伺服OFF，鎖住固定裝置。

　?。?）模擬量力矩指令調節到50％額定轉矩，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(shí)驗波形，并做好記錄。再重復做本實(shí)驗5次，共保存3次相同條件下的電流響應波形。

　?。?）模擬量力矩指令調節到100％額定轉矩，重復步驟3。

　　本例中力矩環(huán)響應時(shí)間小于4毫秒。

　　2、速度響應測試

　　速度帶寬測試方法：調整伺服驅動(dòng)器參數使電機空載響應性能最佳，將最大轉速限制在3000RPM，電流設定為電機額定電流。用函數信號發(fā)生器發(fā)一個(gè)頻率按照正弦規律變化的脈沖信號，逐漸加大輸入信號正弦變化的頻率，當電機堵轉時(shí)正弦變化的頻率定義為伺服驅動(dòng)器速度響應頻率，速度帶寬測試平臺結構示意圖如圖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(gè)2500轉的轉速，用示波器觀(guān)察電機里電流波形。如圖3-3所示，本例中整個(gè)加速到穩定的時(shí)間小于30ms。

　　3、定位精度與重復定位精度測試

　　伺服驅動(dòng)器控制交流永磁同步伺服電機最終定位點(diǎn)和目標值的靜態(tài)誤差稱(chēng)為定位精度。重復定位精度是在相同轉速和加減速條件下電機旋轉一定角度，連續得到結果的偏差程度。

　　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)送脈沖給伺服驅動(dòng)器。脈沖數為30000?？刂扑欧姍C正轉10轉，然后反轉10轉，觀(guān)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，并記錄三組數據。然后控制伺服電機正轉10轉，然后反轉20轉，再記錄三組數據。

　　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(shí)，記錄測試墻面光點(diǎn)的位置，記錄其誤差。

　　測試實(shí)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(gè)脈沖，此時(shí)伺服驅動(dòng)器的電子齒輪比為100/3；則正轉10轉，然后反轉10轉停止（經(jīng)過(guò)電子齒輪變速后電機每轉1圈需要，10000個(gè)脈沖，電機會(huì )每隔3秒轉半圈），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(guò)多次測試其結果一致。利用三角函數關(guān)系可以算出偏差角度，再以360°對應300脈沖，計算結果是定位精度小于1個(gè)脈沖。即伺服電機定位精度為1個(gè)脈沖，滿(mǎn)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(gè)脈沖，此時(shí)伺服驅動(dòng)器的電子齒輪比為100/3；則正轉10轉，然后反轉20轉停止，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(guò)多次測試其結果一致。計算結果是定位精度小于1個(gè)脈沖。即伺服電機重復定位精度為1個(gè)脈沖，滿(mǎn)足設計要求。

　　總結

　　回顧國內對伺服技術(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(méi)有產(chǎn)品化。國產(chǎn)伺服驅動(dòng)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)伺服驅動(dòng)器開(kāi)發(fā)廠(chǎng)家的課題。隨著(zhù)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(chǎng)家的成長(cháng)，相信可靠性更高、性能更優(yōu)良、功能更強大的伺服驅動(dòng)產(chǎn)品會(huì )出現。