永磁交流伺服系统性能测试和分析平台的开发*

张 韬，鲍海静，石 海

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

伺服系统作为工业自动化设备中的重要执行部件，具有高精度、高功率密度和高可靠性的特点，被广泛应用于数控机床、机器人等自动化生产线[1-2]。自动化工业迅速发展，对伺服系统的测试技术也提出了更高要求：一方面，在新产品研制过程中，除了对伺服系统的设计、工艺过程及算法理论分析方面进行研究外，还必须具有对产品或样机进行大量常规性能试验验证的能力，以探索改进的途径；另一方面，随着伺服系统高级功能的不断增加，对驱动器的控制功能测试也提出了针对性的要求[3-4]。因此，全方位地提高伺服系统的测试技术，准确分析伺服系统的性能，对提高产品质量具有重要意义[5-6]。

在国外，各大伺服系统厂家的产品都有相对应的上位机软件，可以实现对伺服系统的监控及性能的简单测试和调试，如富士的Alpha5、安川的SigmaWin、松下的Panaterm等，它们都能够实时监控伺服电机的转速、转矩、位置信号等，并能对整个系统模型进行谐振分析[7-8]。

笔者设计了永磁交流伺服系统性能测试和分析平台，以C#为平台的界面开发语言，在计算机上实现相关测试模块及操作按钮，完成与仪器设备的串行通信和数据采集，实时监控伺服电机的转速、转矩指令和位置，同时直观地给出性能参数，大大缩短伺服系统分析测试时间。

1 伺服系统测试平台方案

伺服系统测试平台从硬件上主要分为三个部分：主机控制部分、信号激励和采集部分、机械加载部分。通过整个平台各部分的相互协同工作，完成对伺服系统各项指标的测试。伺服系统测试平台框图如图1所示。

图1 伺服系统测试平台框图

主机控制部分集成了测试软件，完成对信号发生器、频谱分析仪的控制，以及采集卡的数据采集和读取，同时对测试数据进行解析处理，生成报表并导出，是和用户直接交互的模块。

信号激励和采集部分主要包括信号采集卡、信号发生器、频谱分析仪。

信号发生器可以生成任意波形，分别为待测驱动器和负载驱动器输出模拟量控制信号。信号发生器由主机控制，然后基于主机的指令精确控制待测驱动器与负载的转速、位置与扭矩。

频谱分析仪通过接收主机控制指令，向待测驱动器发送频率变化的正弦波信号，通过扫频的方式，可以测量待测驱动器的幅值-频率特性与相角-频率特性，并绘制出伯德图。

机械加载部分采用对拖的方式实现加载，由负载伺服电机、负载驱动器、被测伺服电机、被测驱动器及转速传感器组成。负载伺服电机控制被测伺服电机的转矩。转速传感器获得转速信号和位置信号，保证整个测试过程的稳定性、可控性及高精度[9-10]。为较全面地检测驱动器中惯量辨识算法的有效性，测试平台中共设计了七种针对不同转动惯量值的惯量盘。机械加载台架如图2所示。

图2 机械加载台架

在电流环带宽测试过程中，需要将伺服电机转轴锁死，消除反电势对电流环带宽的影响，所以选用带抱闸的伺服电机作为负载电机，并且抱闸力矩需大于被测伺服电机的最大转矩。

测试平台的软件主要包含四大模块：仪器配置模块、产品配置模块、硬件控制模块和测试分析模块，其框架如图3所示。

图3 伺服系统测试平台软件框架

2 控制界面的实现

伺服系统测试平台的控制界面主要实现仪器的配置、被测产品的配置、硬件控制模块的驱动等。

2.1 仪器配置模块

仪器配置模块主要检测设备的在线状态，并可进行调试。由于测试平台基于信号发生器、频谱分析仪、信号采集卡等仪器设备通信，因此平台能够检测所有设备的在线状态。图4～图6给出了三种仪器的调试界面。仪器设备之间的通信采用通用可编程仪器标准命令(SCPI)通信协议，能够快速实时检测仪器在线状态，是系统运行的可靠保障。

图4 信号发生器调试界面

图5 信号采集卡调试界面

图6 频谱分析仪调试界面

2.2 产品配置模块

产品配置模块具备产品项目配置与检测参数设置功能，用户可以根据不同的测试需求配置相关参数，测试项目配置界面如图7所示。

图7 测试项目配置界面

2.3 硬件控制模块

硬件控制模块包含上位机软件与所有设备通信的驱动程序，主要包含伺服驱动控制驱动、信号发生器读写驱动、频谱分析仪读写驱动、信号采集卡读写驱动。驱动程序流程如图8所示。

图8 驱动程序流程图

3 伺服系统性能测试

测试分析模块主要实现伺服系统的性能测试，能够完成对伺服驱动器的稳速误差、阶跃响应、定位精度，以及电流环、速度环、位置环三环带宽等动态和静态性能的测试。

3.1 稳速误差

稳速误差是判断伺服系统静态特性的一个重要指标，尤其是在低速条件下。在转速比较慢时，需要系统具有较高的采样率和存储深度，才能保证波形不失真。测试过程中，驱动器工作在速度控制模式下，使能驱动装置，待系统进入稳态后，采集编码器脉冲信号，采样数据数量为1000个，记录实际转速值，并计算转速的算术平均值、均方根误差、最大速度vmax、最小速度vmin和速度波动率Kf。速度波动率Kf的计算式为：

(1)

图9所示为转速为1r/min时的转速波形，可以看到，软件能够根据时间计算出当前的转速、平均转速、均方根误差、最大速度、最小速度和速度波动率。

图9 稳速误差测试图

在自动测试模式下，可以根据配置的测试项目进行自动测试，图10为测试中的数据。

图10 稳速误差测试中数据

3.2 阶跃响应

阶跃响应是从时域角度分析系统的动态特性，反映了系统跟随指令信号的能力，系统的动态参数常用以下三个参数表示。

(1) 超调量。这一参数指伺服电机在阶跃给定条件下的转速或转矩的过冲特性。

(2) 上升时间。上升时间为阶跃响应时，转矩或转速从10%上升到90%的时间。

(3) 稳定时间。稳定时间为转矩或转速稳定在±5%目标值收敛区域的时间。

通过移动界面上的横纵坐标可以自动计算以上三个动态参数，图11所示为转速阶跃响应波形图，在给定速度200r/min时，通过信号采集卡采集转速模拟量输出信号，采样率为10kHz，并通过区间坐标自动得到所需的稳态性能参数。

图11 阶跃响应波形图

3.3 三环带宽

带宽测试不仅可以反映系统的稳态和动态特性，同时可以反映系统的稳定裕度。测试平台以正弦信号作为激励信号，信号幅值不变，频率随时间按对数变化的方式扫频，测得不同频率下的响应。

频谱分析仪的输出作为伺服驱动单元的模拟量转速输入，驱动单元的转速监控数模输出作为频谱分析仪的输入。设置转速直流偏置信号为 450r/min，正弦波幅值为75r/min。

频谱分析仪可以在定点频率模式和扫频模式下进行测试，扫频范围为1～400Hz。

从上位机的频域响应波形中读取系统幅值裕度和相角裕度。

图12为定点测试时频率50Hz下得到的曲线和幅值增益及相位差，图13为扫频方式得到的速度环带宽曲线。

图12 50Hz定点测试波形

图13 扫频方式带宽测试图

3.4 定位精度

在位置控制模式下，加减速时间均设定为0，速度环输出限幅设定为允许输出最大值，负载为空载，使能伺服系统。

给定位置指令，所对应的速度为50%额定速度，观测并记录系统发出的脉冲和编码器反馈的脉冲数值，计算位置跟踪误差，同时记录位置跟踪误差波形，用以全面评价整定参数的跟随性能。图14给出了定位精度测试界面。

图14 定位精度测试

4 结论

笔者所设计的永磁交流伺服系统性能测试和分析平台，能够完成转矩、转速、位置等伺服电机参数的采集和计算，直观地反映出各项稳态、动态控制性能指标。测试结果表明，这一平台能够实时、准确地测量并显示伺服系统的时域和频域特性。

[1] 暨绵浩.基于TMS320F2812DSP的高精度伺服驱动器设计方案[J].伺服控制，2012(5)：88-91．

[2] 滕福林,胡育文,李宏胜,等.伺服系统性能测试和分析平台[J].电气传动,2011,41(1)：45-49，64.

[3] 樊留群,万德科.伺服系统性能测试台的研究与开发[J].电机与控制应用,2010,37(7)：16-19，27.

[4] 曹宇.伺服系统特性测试平台设计[D].武汉：华中科技大学,2013.

[5] 赵小丽,黄家才,李凯,等.交流伺服系统动态性能在线测试平台设计[J].自动化仪表,2013,34(10)：70-73.

[6] 陈华.交流伺服永磁同步电机机械性能测试系统的研究与设计[D].南宁：广西大学,2013.

[7] 李宏胜.数控机床用伺服系统性能测试装置的研究[J].组合机床与自动化加工技术，2001(7)：30-33.

[8] 晏杰，闫英敏，赵霞.伺服驱动器测试方法的仿真研究[J].组合机床与自动化加工技术，2012(7)：64-67.

[9] 鲍海静,张韬,张静.分数槽绕组永磁伺服电动机的设计与分析[J].上海电气技术，2016，9(3)：24-29.

[10] 张静,张韬,鲍海静.五相永磁同步电动机控制方法的研究[J].上海电气技术，2016，9(3)：30-34.

(编辑：丁 罡)