永磁交流伺服電動機轉(zhuǎn)矩波動測試裝置*

時曉霞　楊月花

(廣州數(shù)控設(shè)備有限公司 ，廣東 廣州 510530)

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永磁交流伺服電動機轉(zhuǎn)矩波動測試裝置*

時曉霞楊月花

(廣州數(shù)控設(shè)備有限公司 ，廣東 廣州 510530)

在永磁交流同步電動機的某些應(yīng)用場合，如數(shù)控機床、加工中心及航天航空工程等，要求電動機能夠在低速時輸出較大的轉(zhuǎn)矩且能平穩(wěn)運行，電動機的低速平穩(wěn)性直接影響因素是轉(zhuǎn)矩波動。導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動的因素較多，既和電動機本體設(shè)計、電動機結(jié)構(gòu)和加工工藝有關(guān)，也與運行方式有關(guān)，甚至還有驅(qū)動控制器方面的因素。因此在研發(fā)測試過程中該參數(shù)有測試的必要性。根據(jù)在廣州數(shù)控設(shè)備有限公司的實際應(yīng)用，對所構(gòu)建的這種永磁伺服電動機轉(zhuǎn)矩波動測試裝置進行了詳細論述。通過實際應(yīng)用，驗證了該套裝置的測試數(shù)據(jù)與理論設(shè)計值基本一致，系統(tǒng)地闡述了所述測試裝置的實用性與可行性。

轉(zhuǎn)矩波動; 伺服電動機; HBM;ABB

電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換的機械,其指標(biāo)體系包括穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)、動態(tài)性能指標(biāo)和控制性能指標(biāo)。由于電動機在結(jié)構(gòu)上存在齒槽及電樞等因素，所以在運行中存在轉(zhuǎn)矩波動的現(xiàn)象。 轉(zhuǎn)矩波動是影響交流伺服電動機平穩(wěn)運行的重要指標(biāo)，對其進行精確測量、計算、分析，直接關(guān)系到電動機整體性能水平不斷改進和提高，所以有必要對其深入研究。永磁交流伺服電動機的轉(zhuǎn)矩波動直接影響系統(tǒng)的控制精度，是最為關(guān)注的伺服性能指標(biāo)之一。也是永磁交流伺服電動機設(shè)計和控制過程中非常重要的研究對象，其大小直接影響機械加工件的加工精度。

1　轉(zhuǎn)矩波動數(shù)據(jù)模型

1.1轉(zhuǎn)矩波動分析

轉(zhuǎn)矩波動是各類伺服控制系統(tǒng)中最關(guān)注的伺服性能指標(biāo)之一，它是指伺服電動機在某一時刻(某一轉(zhuǎn)速下)輸出轉(zhuǎn)矩未達到預(yù)期給定而出現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩偏差。當(dāng)偏差值的大小超出所規(guī)定的范圍時，電動機的伺服控制性能和控制精度將受到不同程度的影響。

電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩波動主要分以下兩類：

(1)齒槽轉(zhuǎn)矩:由于電動機定子的齒槽與轉(zhuǎn)子的永磁體相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，這個轉(zhuǎn)矩隨空間位置作周期性變化，它表現(xiàn)為總是試圖將轉(zhuǎn)子定位在某些位置，這個轉(zhuǎn)矩與定子電流無關(guān)。

(2)紋波轉(zhuǎn)矩:由電流和反電動勢波形偏差引起的諧波轉(zhuǎn)矩。

永磁交流伺服電動機對外呈現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩波動是齒槽轉(zhuǎn)矩和紋波轉(zhuǎn)矩共同引起的。

1.2實驗儀器設(shè)備

(1)采用HBM傳感器，型號為T40B。基本參數(shù)：量程為100 N·m；線性精度為±0.03%；采樣速率為19.2 kHz。

(2)加載電動機：ZJY182-5.5CF-B35，電動機性能參數(shù)如下：S1工作制下的電動機額定功率為5.5 kW；額定電流為19 A；額定轉(zhuǎn)矩為26 N·m；額定頻率為70Hz；額定轉(zhuǎn)速/最高轉(zhuǎn)速為2 000/12 000 r/min；額定電壓為240 V。

(3)被測電動機適配驅(qū)動器：GS3050(廣數(shù)自主研發(fā))。

(4)加載電動機所配驅(qū)動器：ACSM1-04AS-040A-4。

(5)直流穩(wěn)壓電源，型號：APS3005S-3D。

2　轉(zhuǎn)矩波動測試平臺的搭建

轉(zhuǎn)矩測試平臺是一套對拖測試平臺，通過ABB變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式，陪測電動機施加需要設(shè)定的負(fù)載，被測電動機則通過匹配驅(qū)動器速度模式控制，施加相應(yīng)的轉(zhuǎn)速；以便滿足轉(zhuǎn)矩波動測試標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.1轉(zhuǎn)矩波動構(gòu)建模型

根據(jù)在工作中實際的應(yīng)用，構(gòu)建如圖1所示的轉(zhuǎn)矩波動整體架構(gòu)圖，選用國內(nèi)外最精密的控制器和傳感器。實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩波動測試的高精度和準(zhǔn)確性。

在應(yīng)用中搭建的轉(zhuǎn)矩波動測試平臺實物如圖2。

2.2轉(zhuǎn)矩波動實驗操作方法

2.2.1ABB變頻器

ABB高性能機械類傳動為高要求的機械設(shè)備提供了高性能的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和運動控制。ACSM1可以控制有反饋或無反饋的感應(yīng)電動機、同步伺服電動機與異步伺服電動機。它采用DTC (直接轉(zhuǎn)矩控制)電動機控制技術(shù)來確保性能的優(yōu)越。

加載電動機由ABB變頻器進行控制，加載機組的力矩響應(yīng)時間<5 ms，轉(zhuǎn)矩控制精度<±2%FS。采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式運行，通過編碼器進行反饋。

在測試過程中，打開Drive Studio ABB 控制器軟件，進入Drive操作界面。首先打開參數(shù)瀏覽器，進入啟動數(shù)據(jù)界面，根據(jù)電動機標(biāo)簽上數(shù)據(jù)對電動機的各性能參數(shù)進行設(shè)置。打開速度反饋界面，對編碼器參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)置控制方式為直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)。上述參數(shù)全部完成設(shè)置后，啟動ABB控制器，電動機則可以正常運行。可以很據(jù)比例數(shù)值對電動機施加一定的負(fù)載。

2.2.2HBM傳感器

擁有高精度的檢測儀器對于電動機測試數(shù)據(jù)的可靠性尤為重要,直接關(guān)系到檢測結(jié)果的真實性。HBM傳感器用于工業(yè)場合和高精度測量，它由轉(zhuǎn)子部分和定子部分組成， 轉(zhuǎn)子部分連接在電動機和負(fù)載中間，用于測試電動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；定子部分與轉(zhuǎn)子部分不接觸，用于接收傳感器轉(zhuǎn)子部分發(fā)出的信號，然后傳給放大器， 放大器可以對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，比如濾波，或者把所有的數(shù)據(jù)取絕對值等。高精度速度測量系統(tǒng)，即使在非常低的轉(zhuǎn)速下，測試數(shù)據(jù)也相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確、可靠。T40B傳感器的外形見圖4和圖5。

2.3實驗數(shù)據(jù)分析

2.3.1測試方法與步驟

國標(biāo)《JBT 10274-2001 數(shù)控機床交流伺服電動機 通用技術(shù)條件》中規(guī)定轉(zhuǎn)矩波動率測試方法：

表1　電動機測試數(shù)據(jù)

由電動機和伺服單元組成伺服裝置，并穩(wěn)定運行在10%最高轉(zhuǎn)速值這一點，對電動機施加連續(xù)工作區(qū)中規(guī)定的該轉(zhuǎn)速下允許的最大轉(zhuǎn)矩，用扭矩儀或者類似設(shè)備連續(xù)測量并記錄電動機輸出轉(zhuǎn)矩，找出最大轉(zhuǎn)矩Tmax和最小轉(zhuǎn)矩Tmin(即瞬態(tài)值)，轉(zhuǎn)矩波動率T如公式(1)：

(1)

2.3.2測試結(jié)果與分析

本文以130SJTG-M050GH電動機(本公司自主研發(fā)電動機)作為應(yīng)用實例。

樣機的基本參數(shù)設(shè)置為額定功率：2.1 kW，極對數(shù)為4極；驅(qū)動單元輸入電壓為AC380三相；額定電流為6 A；額定轉(zhuǎn)矩為5 N·m，額定轉(zhuǎn)速為4 000 r/min；最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。實驗測試波形如圖6，電動機的測試數(shù)據(jù)見表1。

在實際應(yīng)用中，廣數(shù)自主研發(fā)的交流伺服電動機型號80、110、130、150、175系列電動機20多款都在這套測試平臺上進行了測試驗證。這些電動機包括機器人使用電動機、高精高速機床電動機等。實測的轉(zhuǎn)矩波動率數(shù)值與理論設(shè)計值基本保持一致。通過測試結(jié)果分析，被測電動機受所匹配的驅(qū)動器影響很大，如果驅(qū)動器匹配不合理，導(dǎo)致被測電動機電流值過大，測試數(shù)值不準(zhǔn)確。在測試過程中，需要選擇合理的驅(qū)動器及其調(diào)試匹配參數(shù)。

3　結(jié)語

實驗中采用HBM的傳感器和采集系統(tǒng)進行測定，它可以實時精確地測試電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，將信號傳給PC機，采集電動機實時轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速相對應(yīng)時間的曲線，從而方便快捷地計算出電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動率。通過構(gòu)建永磁交流伺服電動機的轉(zhuǎn)矩脈動測試平臺，能夠更好的驗證電動機的性能參數(shù)，反應(yīng)了電動機運行的平穩(wěn)情況。

[1] 劉博偉,李省閣. 電動機轉(zhuǎn)矩波動測量方法研究[J].微電動機,2006,39,7:72-73,76.

[2]《JBT 10274-2001 數(shù)控機床交流伺服電動機 通用技術(shù)條件》[S].中國機械工業(yè)聯(lián)合會.

[3]黃越,唐任遠,韓雪巖. 基于Ansoft 的永磁交流伺服電動機轉(zhuǎn)矩波動分析,[J].電氣技術(shù)，2008,4:15-18.

[4]強雄,嚴(yán)蓓蘭,錢奇文.HBM扭矩傳感器在電動機測試中的應(yīng)用,[J]. 上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司.

[5]閆晶芬,陳麗香,唐任遠.削弱永磁伺服電動機轉(zhuǎn)矩波動的措施研究[J].電氣技術(shù),2008(4):10-13.

[6]唐任遠.現(xiàn)代永磁理論與設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997：143

(編輯汪藝)

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Torque ripple test device of permanent magnet AC servo motor

SHI Xiaoxia, YANG Yuehua

(GSK CNC Equipment Co., Ltd., Gunagzhou 510530, CHN)

In some applications of permanent magnet synchronous AC motor, such as NC machine tools, machining center and aerospace engineering, etc., require motor can output large torque at low speed and can run smoothly, the stability of the motor directly influence factor is the torque ripple. Factors leading to torque ripple are more, both related to ontology and motor design, motor structure and processing technology, also related to the operation mode, and even drive controller factors. So in the R & D and testing process, this parameter is necessary to be tested. According to the practical application of GSK CNC Equipment Co., Ltd. in Guangzhou, this paper describes the building permanent magnet servo motor torque fluctuation test device in detail. Verified by practical application, this set of device test data and the theoretical design value, systematically expounds the practicability and feasibility of the test device described in this article.

torque ripple; AC servo motor; HBM ; ABB

TH351

A

時曉霞，女，1982年生，工程師，研究方向為機床使用電動機性能測試工作。

2015-05-05)

160136

*高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備:高檔數(shù)控機床、數(shù)控系統(tǒng)及功能部件關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與測試平臺研究(2012ZX04010-021)