王天雷，張京玲，王 柱，賀躍幫，王小東，黃建華

(1.五邑大學 信息工程學院，廣東 江門 529000；2. 廣東科杰機械自動化有限公司，廣東 江門529030)

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CNC機床伺服進給PMSM性能測試系統(tǒng)及適配性評價*

王天雷1，張京玲1，王 柱1，賀躍幫1，王小東2，黃建華2

(1.五邑大學 信息工程學院，廣東 江門 529000；2. 廣東科杰機械自動化有限公司，廣東 江門529030)

針對各種數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的不同要求，提出了一種適合企業(yè)進行的伺服電機選配方法。介紹了一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)的永磁同步交流伺服電機(PMSM)性能測試裝置，該裝置由運動控制器、多通道數(shù)據(jù)測量分析儀、相位差式扭矩傳感器和負載等組成，能模擬實際工況，對不同品牌伺服電機整體性能進行直接測試、分析和客觀評價，為不同數(shù)控機床及裝備選配性能優(yōu)良、工作可靠、性價比高的進給伺服電機提供了依據(jù)，具有較大的經(jīng)濟效益。

PMSM；性能測試；適配性評價；數(shù)控機床

0 引言

機床進給伺服系統(tǒng)是把數(shù)控信息轉(zhuǎn)化為機床進給運動，實現(xiàn)精準控制，是保證刀具相對于工件的精確的定位、高速或穩(wěn)定的切削加工的基礎(chǔ)。對交流伺服性能的總體要求是穩(wěn)定性好、精度高和響應(yīng)速度快，即：伺服電機在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能平滑的運行，轉(zhuǎn)矩波動小，特別是在低速時轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定而無爬行現(xiàn)象；伺服電機有一定的過載能力，在低速時可輸出大轉(zhuǎn)矩；為滿足快速性，伺服電機具有較小的轉(zhuǎn)動慣量和較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩[1-2]。

永磁交流同步伺服電機(PMSM)作為數(shù)控機床中伺服進給系統(tǒng)的執(zhí)行元件，在其眾多參數(shù)中，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和輸出功率是影響伺服系統(tǒng)的機械特性、穩(wěn)定性、過載能力和動態(tài)響應(yīng)等特性的主要因素，直接關(guān)系到被加工工件與刀具的定位或加工精度，即工件的形狀和位置，以及工件的表面精度。

根據(jù)市場的不同需求，產(chǎn)品數(shù)控機床/裝備可服務(wù)不同行業(yè)，以及具有不同檔次與要求。選擇性能優(yōu)良、工作可靠、性價比高，且與產(chǎn)品相匹配的伺服電機是生產(chǎn)企業(yè)的優(yōu)先考慮。

1 測試系統(tǒng)

文獻[3-4]針對伺服電機性能參數(shù)，特別是轉(zhuǎn)矩波動測試介紹了幾種測試方法，但均不大適合企業(yè)采用。為了快速、準確、直接的測試各種品牌的伺服電機性能，評價其與不同型號和和規(guī)格的數(shù)控機床/裝備的適配性，本文提出了一種企業(yè)生產(chǎn)數(shù)控機床/裝備時選擇適配的伺服電機的方法，并研究與開發(fā)了一種高性能的伺服電機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)。使用該測試系統(tǒng)可以對不同品牌的伺服電機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速性能測試、比較與適配性分析，為數(shù)控機床/裝備進給系統(tǒng)的伺服電機選配提供了依據(jù)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由以下幾部分組成：扭矩、轉(zhuǎn)速和功率檢測采用S.HIMMELSTEIN公司的MCRT 48002V相位差式扭矩傳感器和723系列的高精密數(shù)據(jù)分析儀；運動控制選用固高公司的GTS-800-PV/PG-PCI型運動控制卡；上位機為GUC-400-ESV工控機；穩(wěn)壓電源模塊和負載裝置等。負載裝置是根據(jù)實際工作情況設(shè)計，被測伺服電機通過聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，驅(qū)動機床進給系統(tǒng)的滾珠絲杠帶動工作臺運動，工作臺上可另加負荷可模擬實際工況。

圖1 PMSM性能參數(shù)測試系統(tǒng)

伺服電機性能測試由：①主機測試模塊。該測試模塊的功能是發(fā)送電機運動控制命令以及對采集的數(shù)據(jù)用專用測試軟件進行分析和顯示，并繪制實時轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線、存儲實時數(shù)據(jù)、察看歷史數(shù)據(jù)等。②現(xiàn)場信號采集。測試現(xiàn)場由扭矩傳感器完成電機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號采集；③測試信號分析。選用的723系列多通道信號測量儀有三個通道，分別設(shè)置為轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號和功率信號通道，完成對測試信號調(diào)理、處理與分析等功能，可精確測量各種型號的伺服電機的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速，并分析其轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩波動等特性。此外，該系統(tǒng)還可設(shè)計專用的軟件對數(shù)控機床的關(guān)鍵功能部件如滾珠絲杠和滾動導(dǎo)軌的運動精度、工作可靠性好平穩(wěn)性等進行測試、評估與適配性選擇。

1.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)中軟件程序的功能主要包括伺服電機運動參數(shù)設(shè)置、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的實時采集、實時顯示、實時繪制參數(shù)曲線、數(shù)據(jù)保存、歷史數(shù)據(jù)的查詢等。測試系統(tǒng)程序總體設(shè)計如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)程序總體設(shè)計框圖

測試系統(tǒng)主程序的流程如圖3所示，測試前對系統(tǒng)進行初始化處理，如電機的伺服參數(shù)與控制器參數(shù)初始設(shè)置、計數(shù)器工作方式的定義和測試設(shè)備調(diào)零；伺服控制器等待上位機發(fā)送控制命令，當接收到運動控制器命令時，啟動電機并使其穩(wěn)定運行；采集被測電機相關(guān)數(shù)據(jù)采集、保存、繪制曲線等功能，數(shù)據(jù)采集完成后停機；對數(shù)據(jù)整理分析以判斷伺服電機的性能，評價被測電機的適配性。該測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準確的自動測量和較強的數(shù)據(jù)處理功能，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)文件、曲線和數(shù)字等形式的輸出。圖4和圖5分別為數(shù)據(jù)采集與測試參數(shù)設(shè)置界面和測試數(shù)據(jù)處理界面。

圖3 測試系統(tǒng)主控程序流程圖

圖4 測試參數(shù)設(shè)置界面 圖5 測試數(shù)據(jù)處理界面

2 試驗與分析

轉(zhuǎn)矩是電機的重要特征參數(shù)，由于永磁伺服電機結(jié)構(gòu)特點，其轉(zhuǎn)矩存在著一定的波動，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動主要原因有電機的齒槽結(jié)構(gòu)引起；制造工藝誤差產(chǎn)生；在運行時電磁轉(zhuǎn)矩的波動和控制系統(tǒng)引起等[5]。電機的轉(zhuǎn)矩波動一般采用傅里葉級數(shù)來分析[6]，傅立葉公式如下：

(1)

由式(1)可得轉(zhuǎn)矩波動ΔT(t)的傅里葉級數(shù)為：

(2)

式中：ΔTp波動轉(zhuǎn)矩的峰值；θ1為勵磁磁動勢與電樞磁動勢的夾角。

文獻[7]對電機轉(zhuǎn)矩波動的產(chǎn)生做了較詳細的分析，因為數(shù)控機床生產(chǎn)企業(yè)主要關(guān)注轉(zhuǎn)矩波動對數(shù)控機床加工精度的影響，因此，本文定義TRF為轉(zhuǎn)矩波動率。TRF為波動轉(zhuǎn)矩的峰值ΔTp與最大轉(zhuǎn)矩及最小轉(zhuǎn)矩之和T的比值，即：

(3)

轉(zhuǎn)矩波動ΔTP會導(dǎo)致電機速度的抖動，影響電機的運行性能，導(dǎo)致伺服系統(tǒng)的控制精度下降，在低速時產(chǎn)生振動，高速時產(chǎn)生噪聲，均會影響數(shù)控機床加工質(zhì)量。

2.1 試驗安排

選擇市場四種不同品牌的永磁同步伺服進行轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率測試，電機額定功率均為750W，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，根據(jù)所測的運行曲線和采集到的數(shù)據(jù)，結(jié)合不同數(shù)控機床的要求，進行電機的其適配性分析與評價。

根據(jù)配套數(shù)控機床的工況要求，進給系統(tǒng)常見的確定電機轉(zhuǎn)速進行測試，測試時安排四種電機分別在低速(1r/min)、中速(600r/min)，高速(額定轉(zhuǎn)速：3000r/min)進行了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率信號實時采集與分析。①對某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行精細加工時，進給速度較低，對應(yīng)的選取1～10r/min；②常見的加工以及100～600r/min，③快速進給定位和快速非精加工時1000～3000r/min。

圖6 電機在1r/min時的運行曲線(扭矩的單位為LB-IN)

圖7 電機在600r/min時的運行曲線(扭矩的單位為LB-IN)

圖8 電機在3000r/min時的運行曲線(扭矩的單位為LB-IN)

2.2 測試結(jié)果及分析

電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是兩個重要的性能參數(shù)，由公式T=9.55P/n可知電機轉(zhuǎn)矩的波動必會引起轉(zhuǎn)速的波動，而轉(zhuǎn)速性能將影響伺服系統(tǒng)的定位精度、位置精度和穩(wěn)定性。引起電機的轉(zhuǎn)速波動的因素有很多，如負載扭矩的波動造成的、傳動系統(tǒng)剛性不足，外界干擾較大等。

本次測試是在負載穩(wěn)定時進行，圖6～圖8是四種伺服電機分別為在1r/min、600r/min和3000r/min三種速度運行時所測得曲線。結(jié)合運行曲線圖對這幾種電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波動和其他性能進行分析。分析如下：①由圖6a、圖7a、圖8a可得：1#電機在1r/min轉(zhuǎn)矩波動較小，電機在此轉(zhuǎn)速下輸出功率很小，有波動。啟動時間為0.9s，動態(tài)響應(yīng)快。在600r/min和3000r/min運行時，啟動時間為0.6s，響應(yīng)快。其相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩波動情況基本一致，且較小，穩(wěn)定性好。因此，1#電機的動態(tài)輸出功率穩(wěn)定波動小，精確度高，機械特性好。②分析圖6b、圖7b、圖8b可以看出：2#電機在1r/min運行，其啟動時間為1.4s，動態(tài)響應(yīng)較快，轉(zhuǎn)矩波動較大，但有規(guī)律，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，精度較高，制動性能好。600r/min和3000r/min運行時，其相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩波動較小，穩(wěn)定性較好。③對圖6c、圖7c、圖8c分析可得：3#電機的動態(tài)響應(yīng)快，啟動時間0.68s，穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)速波動小，但轉(zhuǎn)矩波動較大，啟動時可能有輕微的震動，能滿足一般數(shù)控機床的要求。600r/min和3000r/min運行時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩波動較小，且基本保持一致，穩(wěn)定性好，可用于對精度要求高的數(shù)控機床和裝備。④分析圖6d、圖7d、圖8d可清楚的看出，4#電機在低速時輸出不穩(wěn)定，出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，轉(zhuǎn)矩波動劇烈，輸出功率不穩(wěn)定。此時電機轉(zhuǎn)速會產(chǎn)生突變，電機轉(zhuǎn)矩和輸出功率波動也大，電機運行特性較差，不適合在低速工作要求高的機床中應(yīng)用。600r/min和3000r/min運行時，其相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩波動情況基本一致，且較小，穩(wěn)定性較好。

所測四種品牌電機在中、高速運行時，其轉(zhuǎn)矩性能和轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定精確性都比在低速運行時好。測試結(jié)果與適配性評價見表1。表中“—”表示不穩(wěn)定，無法測出；轉(zhuǎn)矩波動率是在穩(wěn)定的額定轉(zhuǎn)速3000r/min時測量值。

3 結(jié)束語

永磁同步交流伺服電機(PMSM)及其伺服驅(qū)動系統(tǒng)對數(shù)控機床進給系統(tǒng)起至關(guān)重要的作用。本文提出了一種生產(chǎn)企業(yè)選擇適配的伺服電機的方法，并設(shè)計了一種模擬數(shù)控機床實際工況的伺服電機性能的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)還可通過設(shè)計專用的軟件對數(shù)控機床功能部件如滾珠絲杠絲杠、滾動導(dǎo)軌的運動精度、工作可靠性和平穩(wěn)性等進行測試、評估與適配性選擇。

通過模擬實際工況，對不同品牌的電機進行測試，分析與客觀評價了伺服電機的整體性能，為企業(yè)生產(chǎn)的不同數(shù)控機床/裝備選擇適配伺服電機提供了可靠客觀依據(jù)，有效提高了數(shù)控機床/裝備的性價比，為企業(yè)創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟效益。

[1] 李茂森,李思遠.伺服分析與檢測平臺的設(shè)計與應(yīng)用[J].伺服控制, 2010(3):91-96.

[2] 張文海.直流力矩電動機轉(zhuǎn)矩波動測試方法的比較與分析[J].微特電機,2007(11):61-62.

[3] 李省閣,李江濤,李鋒.無刷直流力矩電動機轉(zhuǎn)矩波動測試方法探討[J].微電機, 2014(9):76-78.

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

[5] 莫會成.永磁交流伺服電動機轉(zhuǎn)矩波動分析[J]. 微電機, 2007,40(3):1-4.

[6] 劉百芬,張利華.信號與系統(tǒng)[M].北京:人民郵電出版社,2012.

[7] 王金娥, 董明海.交流伺服電動機轉(zhuǎn)矩波動率的頻域測量[J].微電機,1998,31(2):37-39.

(編輯 李秀敏)

PMSM Performance Testing System and Evaluation of Matching Suitability of Servo Feed CNC for Machine Tool

WANG Tian-lei1, ZHANG Jing-ling1, WANG Zhu1, HE Yue-bang1, WANG Xiao-dong2, HUANG Jian-hua2

(1.College of Information Engineering, Wuyi University,Jiangmen Guangdong 529000,China; 2.Guangdong Kejie Machinery Automation Co., Ltd., Jiangmen Guangdong 529030,China)

According to different requirements of the feed servo system of various CNC machine tools, a suitable method of servo motor is put forward. A kind permanent magnet synchronous AC servo motor (PMSM) performance testing device for feed system of CNC machine tool is Introduces, the device is mainly composed of the motion controller, multi-channel data analyzer, phase difference type torque sensor and load, can simulating the actual working condition, direct measurement, analysis and objective evaluation on the overall performance of the servo motor of different brands, and provides the basis for the different NC machine tools or equipment with excellent performance, working reliable and cost-effective feed servo motor, with significant economic benefits.

PMSM; performance testing; matching suitability evaluation; CNC machine tools

1001-2265(2017)06-0070-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.06.018

2016-11-18；

2016-12-20

廣東省重大科技專項 (2010A080401003)；廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃(育苗工程)(2014KQNCX157)；五邑大學2015年度青年科研基金項目(2015zk12)

王天雷(1981—)，男，長沙人，五邑大學講師，碩士，研究方向為通信與信號處理，電機驅(qū)動、無損檢測，(E-mail)tianlei.wang@aliyun.com。

TH165;TG659

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