伺服驅動器的工作模式與伺服驅動器的測試方法

　　伺服驅動器是用來控制伺服電機的一種控制器，伺服驅動器其作用類似於變頻器作用於普通交流馬達，屬於伺服系統的一部分。目前主流的伺服驅動器均採用數位訊號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現比較複雜的控制算法，實現數位化、網絡化和智能化。功率器件普遍採用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路，IPM內部集成了驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主迴路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅動器的衝擊。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/367389.htm

　　

　　功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。

　　伺服驅動器一般可以採用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應用於高精度的定位系統，目前是傳動技術的高端。隨著伺服系統的大規模應用，伺服驅動器使用、伺服驅動器調試、伺服驅動器維修都是伺服驅動器在當今比較重要的技術課題，越來越多工控技術服務商對伺服驅動器進行了技術深層次研究。

　　

　　伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用於工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用於控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍採用基於矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制算法。該算法中速度閉環設計合理與否，對於整個伺服控制系統，特別是速度控制性能的發揮起到關鍵作用。

　　在伺服驅動器速度閉環中，電機轉子實時速度測量精度對於改善速度環的轉速控制動靜態特性至關重要。為尋求測量精度與系統成本的平衡，一般採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範圍，但這種方法有其固有的缺陷，主要包括：

　　（1）測速周期內必須檢測到至少一個完整的碼盤脈衝，限制了最低可測轉速；

　　（2）用於測速的2個控制系統定時器開關難以嚴格保持同步，在速度變化較大的測量場合中無法保證測速精度。因此應用該測速法的傳統速度環設計方案難以提高伺服驅動器速度跟隨與控制性能。

　　

　　伺服驅動器的工作模式

　　伺服驅動器可以選擇的工作模式有：開環模式、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、模擬位置環模式（ANP模式）。（以上模式並不全部存在於所有型號的驅動器中）

　　開環模式

　　輸入命令電壓控制驅動器的輸出負載率。此模式用於無刷電機驅動器，和有刷電機驅動器的電壓模式相同。

　　電壓模式

　　輸入命令電壓控制驅動器的輸出電壓。此模式用於有刷電機驅動器，和無刷電機驅動器的開環模式相同。

　　電流模式（力矩模式）

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

　　IR補償模式

　　輸入命令控制電機速度。IR補償模式可用於控制無速度反饋裝置電機的速度。驅動器會調整負載率來補償輸出電流的變動。當命令響應為線性時，在力矩擾動情況下，此模式的精度就比不上閉環速度模式了。

　　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傳感器的頻率來形成速度閉環。由於hall傳感器的低解析度，此模式一般不用於低速運動應用。

　　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衝的頻率來形成速度閉環。由於編碼器的高解析度，此模式可用於各種速度的平滑運動控制。

　　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形成速度閉環。由於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，它也容易受到幹擾。

　　模擬位置環模式（ANP模式）

　　輸入命令電壓控制電機的轉動位置。這其實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，電機速度正比於位置誤差。且具有更快速的響應和更小的穩態誤差。

　　

　　伺服驅動器的測試方法

　　國產伺服產品技術攻關大多數還停留在可靠性層面，只有可靠的產品才能被市場認可，才能真正帶給它的用戶以價值。國產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、定位精度和重複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晶片、驅動晶片、接口電路、風機供電，而且伺服驅動器給外部提供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節直流調壓器給定，將母線電源電壓分別調節到DC200V、DC311V、DC400V，然後依此分別將輸出短路，本文以5V，24V兩路輸出的一個實際產品為例討論。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，晶片都進入打嗝狀態，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直接影響伺服驅動器的可靠性和壽命，測試方法是通過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，即在母線規格最大值（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 未短路時測試數據如下表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 小於700，滿足規格要求。

　　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品可靠性來說很重要，特別是對功率器件與功率器件驅動上電時序的影響很重要，在功率器件必須保證在其驅動器件上電好以後才能上電，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，小於IPM上電啟動時間，可以保證IPM驅動晶片先工作，IPM內部IGBT後工作，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

　　（1）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）

　　

　　測試結果：合格。

　　（2）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）

　　

　　測試結果：合格。

　　5、母線整流電路測試

　　（1）整流延遲和整流電路啟動對電網的衝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。

　　

　　（2）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發熱嚴重，長期工作不僅會對伺服驅動器以外的產品造成影響，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

　　作為一個產品，使用者最關心的是產品的可靠性，可靠性不僅僅包括了產品各個器件的電應力，也包括了熱應力，研究每個發熱元件的溫升顯得尤為重要。

　　測試條件：

　　l 整個伺服驅動器放在恆溫箱環境中。

　　l 環境溫度為22.5℃。

　　l 滿載滿轉速條件下測試。

　　溫升就是被測元件溫度與環境溫度的差值，本產品定義最高的工作環境溫度為45℃，本實驗是在環境溫度22.5℃下測試。由熱學基本知識可以知道，在環境溫度為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熱不會對上半部分空間器件發熱產生影響，開關電源部分的器件發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，也可以固定，類似於工具機常用的分度頭）穩固的固定在實驗臺上，並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：

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

　　（2）伺服OFF，分度頭固定電機軸，電流鉗夾在驅動器輸出的U相上，用示波器觀測U相電流的大小，伺服ON，旋轉固定裝置調節電機軸位置，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，停止旋轉分度頭，伺服OFF，鎖住固定裝置。

　　（3）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，伺服ON大概1秒鐘後伺服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，並做好記錄。再重複做本實驗5次，共保存3次相同條件下的電流響應波形。

　　（4）模擬量力矩指令調節到100％額定轉矩，重複步驟3。

　　本例中力矩環響應時間小於4毫秒。

　　2、速度響應測試

　　速度帶寬測試方法：調整伺服驅動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。用函數信號發生器發一個頻率按照正弦規律變化的脈衝信號，逐漸加大輸入信號正弦變化的頻率，當電機堵轉時正弦變化的頻率定義為伺服驅動器速度響應頻率，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：採用階躍響應的測試方法，本例中就是直接給一個2500轉的轉速，用示波器觀察電機裡電流波形。如圖3-3所示，本例中整個加速到穩定的時間小於30ms。

　　

　　3、定位精度與重複定位精度測試

　　伺服驅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誤差稱為定位精度。重複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。

　　重複定位精度測試方法：自製脈衝發生器分別以三種不同的頻率發送脈衝給伺服驅動器。脈衝數為30000。控制伺服電機正轉10轉，然後反轉10轉，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，並記錄三組數據。然後控制伺服電機正轉10轉，然後反轉20轉，再記錄三組數據。

　　位置偏差檢測：如圖3-4所示，將雷射筆固定於電機軸上，每次運行停止時，記錄測試牆面光點的位置，記錄其誤差。

　　

　　測試實驗分如下兩步做：

　　1） 測試脈衝的發送頻率定為500hz，發生周期為3s，即每隔3s發送1500個脈衝，此時伺服驅動器的電子齒輪比為100/3；則正轉10轉，然後反轉10轉停止（經過電子齒輪變速後電機每轉1圈需要，10000個脈衝，電機會每隔3秒轉半圈），電機軸與牆面直接的距離是3m，雷射筆投射到牆面上的最大偏差為2mm，經過多次測試其結果一致。利用三角函數關係可以算出偏差角度，再以360°對應300脈衝，計算結果是定位精度小於1個脈衝。即伺服電機定位精度為1個脈衝，滿足設計要求。

　　2） 測試脈衝的發送頻率定為500hz，發生周期為3s，即每隔3s發送1500個脈衝，此時伺服驅動器的電子齒輪比為100/3；則正轉10轉，然後反轉20轉停止，電機軸與牆面直接的距離是3m，雷射筆投射到牆面上的最大偏差也為2mm，經過多次測試其結果一致。計算結果是定位精度小於1個脈衝。即伺服電機重複定位精度為1個脈衝，滿足設計要求。

　　總結

　　回顧國內對伺服技術的研究已經很接近國外水平，但這些研究成果多停留在理論層面，沒有產品化。國產伺服驅動器的發展由於起步晚，還停留在對可靠性、抗幹擾性考量的層面，對性能的研究才逐步成為國產伺服驅動器開發廠家的課題。隨著電子器件的發展、電子加工技術的發展，以及國產伺服廠家的成長，相信可靠性更高、性能更優良、功能更強大的伺服驅動產品會出現。