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伺服系統(tǒng)特性分析與檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
點(diǎn)擊次數(shù)：3523 發(fā)布時(shí)間：2010-12-6
伺服系統(tǒng)特性分析與檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
采用交流測(cè)功機(jī)設(shè)計(jì)的一種新型伺服系統(tǒng)特性分析與檢測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器的集成檢測(cè)。的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略和可編程交流測(cè)功機(jī)控制器的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的結(jié)合，極大的提高了測(cè)控系統(tǒng)的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，為實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線應(yīng)用的提供了一套技術(shù)*、功能齊全、操作簡(jiǎn)單、使用方便的智能儀器。在測(cè)試精度、測(cè)試速度、測(cè)試方法和操作使用等方面都大大優(yōu)于傳統(tǒng)的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)，并有廣泛的通用性、靈活性和實(shí)用性。
引 言：好功夫是練出來(lái)的，好產(chǎn)品是驗(yàn)出來(lái)的
伺服技術(shù)即高精度的跟蹤與定位技術(shù)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、飛機(jī)、坦克、火炮、艦船等國(guó)防軍事裝備以及數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人和生產(chǎn)線等工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。按照電機(jī)來(lái)分類(lèi)，主要有直流伺服系統(tǒng)，交流伺服系統(tǒng)和步進(jìn)伺服系統(tǒng)三種。交流伺服是目前的主導(dǎo)產(chǎn)品，也是未來(lái)的發(fā)展方向。隨著伺服技術(shù)的不斷發(fā)展和現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各個(gè)行業(yè)對(duì)伺服系統(tǒng)的需求日益增大，并對(duì)其性能提出了更高的要求。因此積極研發(fā)和制造高性能、高可靠性的新型交流伺服是各工業(yè)國(guó)家競(jìng)相努力的目標(biāo)，對(duì)國(guó)家的現(xiàn)代化工業(yè)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)都有著十分重要的意義。
在大力開(kāi)展新的伺服產(chǎn)品研制和改進(jìn)生產(chǎn)工藝的同時(shí)，加強(qiáng)伺服系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)的研究和檢測(cè)平臺(tái)的建設(shè)尤為重要。俗話說(shuō)，好功夫是練出來(lái)的，好產(chǎn)品是驗(yàn)出來(lái)的。只有在*檢測(cè)平臺(tái)上對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行集成評(píng)測(cè)，以獨(dú)立、客觀、科學(xué)、實(shí)用的測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)，才能把握產(chǎn)品的真實(shí)資料，確保我們的伺服產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，為伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提出合理的建議。
伺服技術(shù)即高精度的跟蹤與定位技術(shù)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、飛機(jī)、坦克、火炮、艦船等國(guó)防軍事裝備以及數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人和生產(chǎn)線等工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。按照電機(jī)來(lái)分類(lèi)，主要有直流伺服系統(tǒng)，交流伺服系統(tǒng)和步進(jìn)伺服系統(tǒng)三種。交流伺服是目前的主導(dǎo)產(chǎn)品，也是未來(lái)的發(fā)展方向。隨著伺服技術(shù)的不斷發(fā)展和現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各個(gè)行業(yè)對(duì)伺服系統(tǒng)的需求日益增大，并對(duì)其性能提出了更高的要求。因此積極研發(fā)和制造高性能、高可靠性的新型交流伺服是各工業(yè)國(guó)家競(jìng)相努力的目標(biāo)，對(duì)國(guó)家的現(xiàn)代化工業(yè)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)都有著十分重要的意義。
在大力開(kāi)展新的伺服產(chǎn)品研制和改進(jìn)生產(chǎn)工藝的同時(shí)，加強(qiáng)伺服系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)的研究和檢測(cè)平臺(tái)的建設(shè)尤為重要。俗話說(shuō)，好功夫是練出來(lái)的，好產(chǎn)品是驗(yàn)出來(lái)的。只有在*檢測(cè)平臺(tái)上對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行集成評(píng)測(cè)，以獨(dú)立、客觀、科學(xué)、實(shí)用的測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)，才能把握產(chǎn)品的真實(shí)資料，確保我們的伺服產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，為伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提出合理的建議。
本文介紹重慶高標(biāo)科技有限公司專(zhuān)門(mén)為交流伺服系統(tǒng)量身定制的特性分析與檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。該平臺(tái)采用了*交流測(cè)功機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)虛擬儀器以及高標(biāo)公司的轉(zhuǎn)矩控制策略，實(shí)現(xiàn)了交流測(cè)功機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）與轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的結(jié)合，極大的提高了測(cè)控系統(tǒng)的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，為交流伺服系統(tǒng)的特性分析和參數(shù)測(cè)試提供了*檢測(cè)手段和測(cè)控方案。
本系統(tǒng)使用了高標(biāo)公司研制的 D8001 型高速可編程交流測(cè)功機(jī)控制器，為檢測(cè)平臺(tái)的測(cè)量與控制提供了一套性能優(yōu)良、功能齊全、操作簡(jiǎn)單、使用方便的智能儀器，并具有廣泛的通用性、靈活性和實(shí)用性。因此，本系統(tǒng)也適用于其它伺服系統(tǒng)、特種電機(jī)以及汽車(chē)／摩托車(chē)／航空／航天／兵器等裝備中的零部件以及產(chǎn)品的快速合格與不合格檢驗(yàn)。
1.1 伺服系統(tǒng)的主要特性
交流伺服的性能和技術(shù)指標(biāo)可以從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性等幾個(gè)方面來(lái)衡量，其zui大的特點(diǎn)是：“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”，即穩(wěn)定性好、度高和響應(yīng)速度快。
（1） 調(diào)速范圍大，且?guī)缀踉谡麄€(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩輸出。低檔的伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍在1：1,000 以上，一般的在1：5,000～1：10,000，高性能的可以達(dá)到1：100,000 以上。
（2） 定位精度高，低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。伺服系統(tǒng)的定位精度一般都要達(dá)到 ±1 個(gè)脈沖，穩(wěn)速精度，尤其是低速下的穩(wěn)速精度很好。比如給定 1rpm 時(shí)，一般的誤差在 ±0.1rpm 以內(nèi)，高性能的可以達(dá)到 ±0.01rpm 以內(nèi)。
（3） 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。衡量伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的指標(biāo)是系統(tǒng)的zui高響應(yīng)頻率，即給定zui高頻率的正弦速度指令，系統(tǒng)輸出速度波形的相位滯后不超過(guò) 90° 或者幅值不小于50%。進(jìn)口三菱伺服電機(jī) MR-J3 系列的響應(yīng)頻率高達(dá) 900Hz，國(guó)內(nèi)主流產(chǎn)品的響應(yīng)頻率一般在 200～500Hz。
（4） 運(yùn)行穩(wěn)定性方面主要是指系統(tǒng)在電壓波動(dòng)、負(fù)載波動(dòng)、電機(jī)參數(shù)變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾、以及其它特殊運(yùn)行條件下，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行并保證一定的性能指標(biāo)的能力。
（5） 功率密度大，體積小。常用的功率范圍小于 15kW，電機(jī)規(guī)格從 60 到 190。
1.2 傳統(tǒng)的測(cè)試方法和存在的問(wèn)題
伺服系統(tǒng)是數(shù)控設(shè)備之運(yùn)動(dòng)控制的zui終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作性能的優(yōu)劣對(duì)數(shù)控設(shè)備的精度有直接的影響。而伺服系統(tǒng)的主要特性和參數(shù)與負(fù)載有密切的關(guān)系。因此，只有在帶有負(fù)載情況下進(jìn)行在線調(diào)試，才能保證伺服系統(tǒng)的各項(xiàng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，使其工作于*狀態(tài)。
目前伺服系統(tǒng)的生產(chǎn)單位和系統(tǒng)集成廠家均缺少對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行帶載動(dòng)態(tài)性能分析和在線調(diào)試的試驗(yàn)設(shè)備和檢測(cè)手段，普遍根據(jù)個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)試，模擬加載平臺(tái)主要是數(shù)控機(jī)床或傳統(tǒng)的電機(jī)測(cè)試設(shè)備。這種調(diào)試方法盲目性大，調(diào)試周期長(zhǎng)，很難保證伺服系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)整定到*狀態(tài)。
在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行模擬加載試驗(yàn)是不得已的辦法，而傳統(tǒng)的電機(jī)測(cè)試設(shè)備主要是用于電機(jī)的參數(shù)測(cè)試和產(chǎn)品檢驗(yàn)，設(shè)備的功能設(shè)計(jì)、技術(shù)參數(shù)以及測(cè)試軟件都是根據(jù)電機(jī)的技術(shù)規(guī)范而不是電機(jī)與控制系統(tǒng)的集成檢測(cè)而設(shè)計(jì)的。簡(jiǎn)單的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，固定的加載模式以及有限數(shù)量的采集數(shù)據(jù)，對(duì)全面分析伺服系統(tǒng)的特性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
1.3 什么是伺服分析？
測(cè)試是分析的基礎(chǔ)，分析又是調(diào)試的基礎(chǔ)。想要實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的準(zhǔn)確調(diào)試，必須進(jìn)行伺服系統(tǒng)的特性分析。而要進(jìn)行全面的伺服特性分析，首先要對(duì)伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)以及瞬態(tài)性能進(jìn)行全面的測(cè)試。因此，伺服特性分析以及調(diào)試技術(shù)的研究，就是尋找對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測(cè)試和分析的方法以及實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試伺服系統(tǒng)的技術(shù)。
伺服分析是伺服系統(tǒng)特性分析的簡(jiǎn)稱，是伺服電機(jī)與伺服控制器性能參數(shù)的集成測(cè)試。伺服分析是在的伺服分析與檢測(cè)平臺(tái)上，通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)和控制器進(jìn)行各種加載試驗(yàn)，包括靜態(tài)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)、瞬態(tài)試驗(yàn)、周期循環(huán)試驗(yàn)以及堵轉(zhuǎn)、反拖等極限試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，具有高速數(shù)據(jù)采集能力的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)伺服電機(jī)的機(jī)械特性，包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率和效率等。根據(jù)實(shí)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)表和波形圖來(lái)詳細(xì)的分析伺服系統(tǒng)的特性，特別是控制器參數(shù)對(duì)伺服系統(tǒng)特性的影響，為控制器的參數(shù)調(diào)整和設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。
表 1 是伺服分析與電機(jī)測(cè)試的基本內(nèi)容和試驗(yàn)方法的對(duì)比。從表中我們可以看出，無(wú)論是試驗(yàn)項(xiàng)目、測(cè)試參數(shù)、數(shù)據(jù)采集以及測(cè)試軟件，兩者都有很大的差異。此外，對(duì)于航空、航天和兵器裝備中的伺服系統(tǒng)應(yīng)用，還需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一些特殊的試驗(yàn)項(xiàng)目，以滿足其特殊的需求。
表1：伺服分析與電機(jī)測(cè)試對(duì)比
主要內(nèi)容 伺服分析 電機(jī)測(cè)試
設(shè)備用途 產(chǎn)品研發(fā) 產(chǎn)品檢驗(yàn)
應(yīng)用場(chǎng)合 實(shí)驗(yàn)室和研發(fā)中心 生產(chǎn)線和質(zhì)檢站
主要功能 伺服系統(tǒng)的集成特性分析 產(chǎn)品合格／不合格檢驗(yàn)
試驗(yàn)方法 特定的加載試驗(yàn) 執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范
試驗(yàn)結(jié)果 實(shí)時(shí)波形圖和數(shù)據(jù)表 電機(jī)測(cè)試報(bào)告
本系統(tǒng)使用了高標(biāo)公司研制的 D8001 型高速可編程交流測(cè)功機(jī)控制器，為檢測(cè)平臺(tái)的測(cè)量與控制提供了一套性能優(yōu)良、功能齊全、操作簡(jiǎn)單、使用方便的智能儀器，并具有廣泛的通用性、靈活性和實(shí)用性。因此，本系統(tǒng)也適用于其它伺服系統(tǒng)、特種電機(jī)以及汽車(chē)／摩托車(chē)／航空／航天／兵器等裝備中的零部件以及產(chǎn)品的快速合格與不合格檢驗(yàn)。
伺服系統(tǒng)特性分析與檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
1 伺服分析不是測(cè)電機(jī)1.1 伺服系統(tǒng)的主要特性
交流伺服的性能和技術(shù)指標(biāo)可以從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性等幾個(gè)方面來(lái)衡量，其zui大的特點(diǎn)是：“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”，即穩(wěn)定性好、度高和響應(yīng)速度快。
（1） 調(diào)速范圍大，且?guī)缀踉谡麄€(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩輸出。低檔的伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍在1：1,000 以上，一般的在1：5,000～1：10,000，高性能的可以達(dá)到1：100,000 以上。
（2） 定位精度高，低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。伺服系統(tǒng)的定位精度一般都要達(dá)到 ±1 個(gè)脈沖，穩(wěn)速精度，尤其是低速下的穩(wěn)速精度很好。比如給定 1rpm 時(shí)，一般的誤差在 ±0.1rpm 以內(nèi)，高性能的可以達(dá)到 ±0.01rpm 以內(nèi)。
（3） 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。衡量伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的指標(biāo)是系統(tǒng)的zui高響應(yīng)頻率，即給定zui高頻率的正弦速度指令，系統(tǒng)輸出速度波形的相位滯后不超過(guò) 90° 或者幅值不小于50%。進(jìn)口三菱伺服電機(jī) MR-J3 系列的響應(yīng)頻率高達(dá) 900Hz，國(guó)內(nèi)主流產(chǎn)品的響應(yīng)頻率一般在 200～500Hz。
（4） 運(yùn)行穩(wěn)定性方面主要是指系統(tǒng)在電壓波動(dòng)、負(fù)載波動(dòng)、電機(jī)參數(shù)變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾、以及其它特殊運(yùn)行條件下，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行并保證一定的性能指標(biāo)的能力。
（5） 功率密度大，體積小。常用的功率范圍小于 15kW，電機(jī)規(guī)格從 60 到 190。
1.2 傳統(tǒng)的測(cè)試方法和存在的問(wèn)題
伺服系統(tǒng)是數(shù)控設(shè)備之運(yùn)動(dòng)控制的zui終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作性能的優(yōu)劣對(duì)數(shù)控設(shè)備的精度有直接的影響。而伺服系統(tǒng)的主要特性和參數(shù)與負(fù)載有密切的關(guān)系。因此，只有在帶有負(fù)載情況下進(jìn)行在線調(diào)試，才能保證伺服系統(tǒng)的各項(xiàng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，使其工作于*狀態(tài)。
目前伺服系統(tǒng)的生產(chǎn)單位和系統(tǒng)集成廠家均缺少對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行帶載動(dòng)態(tài)性能分析和在線調(diào)試的試驗(yàn)設(shè)備和檢測(cè)手段，普遍根據(jù)個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)試，模擬加載平臺(tái)主要是數(shù)控機(jī)床或傳統(tǒng)的電機(jī)測(cè)試設(shè)備。這種調(diào)試方法盲目性大，調(diào)試周期長(zhǎng)，很難保證伺服系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)整定到*狀態(tài)。
在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行模擬加載試驗(yàn)是不得已的辦法，而傳統(tǒng)的電機(jī)測(cè)試設(shè)備主要是用于電機(jī)的參數(shù)測(cè)試和產(chǎn)品檢驗(yàn)，設(shè)備的功能設(shè)計(jì)、技術(shù)參數(shù)以及測(cè)試軟件都是根據(jù)電機(jī)的技術(shù)規(guī)范而不是電機(jī)與控制系統(tǒng)的集成檢測(cè)而設(shè)計(jì)的。簡(jiǎn)單的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，固定的加載模式以及有限數(shù)量的采集數(shù)據(jù)，對(duì)全面分析伺服系統(tǒng)的特性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
1.3 什么是伺服分析？
測(cè)試是分析的基礎(chǔ)，分析又是調(diào)試的基礎(chǔ)。想要實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的準(zhǔn)確調(diào)試，必須進(jìn)行伺服系統(tǒng)的特性分析。而要進(jìn)行全面的伺服特性分析，首先要對(duì)伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)以及瞬態(tài)性能進(jìn)行全面的測(cè)試。因此，伺服特性分析以及調(diào)試技術(shù)的研究，就是尋找對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測(cè)試和分析的方法以及實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試伺服系統(tǒng)的技術(shù)。
伺服分析是伺服系統(tǒng)特性分析的簡(jiǎn)稱，是伺服電機(jī)與伺服控制器性能參數(shù)的集成測(cè)試。伺服分析是在的伺服分析與檢測(cè)平臺(tái)上，通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)和控制器進(jìn)行各種加載試驗(yàn)，包括靜態(tài)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)、瞬態(tài)試驗(yàn)、周期循環(huán)試驗(yàn)以及堵轉(zhuǎn)、反拖等極限試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，具有高速數(shù)據(jù)采集能力的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)伺服電機(jī)的機(jī)械特性，包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率和效率等。根據(jù)實(shí)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)表和波形圖來(lái)詳細(xì)的分析伺服系統(tǒng)的特性，特別是控制器參數(shù)對(duì)伺服系統(tǒng)特性的影響，為控制器的參數(shù)調(diào)整和設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。
表 1 是伺服分析與電機(jī)測(cè)試的基本內(nèi)容和試驗(yàn)方法的對(duì)比。從表中我們可以看出，無(wú)論是試驗(yàn)項(xiàng)目、測(cè)試參數(shù)、數(shù)據(jù)采集以及測(cè)試軟件，兩者都有很大的差異。此外，對(duì)于航空、航天和兵器裝備中的伺服系統(tǒng)應(yīng)用，還需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一些特殊的試驗(yàn)項(xiàng)目，以滿足其特殊的需求。
表1：伺服分析與電機(jī)測(cè)試對(duì)比
主要內(nèi)容 伺服分析 電機(jī)測(cè)試
設(shè)備用途 產(chǎn)品研發(fā) 產(chǎn)品檢驗(yàn)
應(yīng)用場(chǎng)合 實(shí)驗(yàn)室和研發(fā)中心 生產(chǎn)線和質(zhì)檢站
主要功能 伺服系統(tǒng)的集成特性分析 產(chǎn)品合格／不合格檢驗(yàn)
試驗(yàn)方法 特定的加載試驗(yàn) 執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范
試驗(yàn)結(jié)果 實(shí)時(shí)波形圖和數(shù)據(jù)表 電機(jī)測(cè)試報(bào)告
1.4 主要測(cè)試項(xiàng)目
伺服系統(tǒng)的特性分析包括系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩個(gè)方面。在測(cè)試與分析方面，系統(tǒng)靜態(tài)特性的測(cè)試和分析相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易，而動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試和分析則要困難得多。在調(diào)試技術(shù)方面，離線調(diào)試比較容易實(shí)現(xiàn)，而帶負(fù)載的在線調(diào)試則困難得多。交流伺服系統(tǒng)測(cè)試與分析的主要內(nèi)容有以下各項(xiàng)。
（1） 時(shí)域階躍響應(yīng)測(cè)試
任意輸入基速、階躍量及運(yùn)行時(shí)間的組合，測(cè)試階躍響應(yīng)特性，從而得到在不同負(fù)載條件下的超調(diào)量、上升時(shí)間 、振蕩次數(shù)等指標(biāo)。
（2） 頻域特性測(cè)試
輸入基速及正弦波的幅值，經(jīng)測(cè)量后可給出頻域特性曲線，從而得到標(biāo)稱角頻率、頻帶寬度和諧振峰值等重要指標(biāo)。
（3） 加載速降測(cè)試
通過(guò)在不同轉(zhuǎn)速下的加載測(cè)試，可測(cè)得空載轉(zhuǎn)速 、加載轉(zhuǎn)速 Ⅳ 、加載轉(zhuǎn)矩，從而得到不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)差率的大小。
（4） 其它測(cè)試功能
除了以上測(cè)試功能外，還可以對(duì)伺服系統(tǒng)的零漂、伺服增益、正反轉(zhuǎn)速差進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程自動(dòng)完成，測(cè)試結(jié)果打印輸出。
1.5 總體要求
目前，許多測(cè)功機(jī)、傳感器和電機(jī)測(cè)試設(shè)備的生產(chǎn)廠家都聲稱自己的設(shè)備可以做伺服分析。從試驗(yàn)方法和測(cè)控設(shè)備來(lái)看，伺服分析和電機(jī)測(cè)試都是對(duì)電機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn)，測(cè)控設(shè)備也大同小異，包括測(cè)功機(jī)，扭矩傳感器，測(cè)功機(jī)控制器和電機(jī)測(cè)試軟件等。
但是，伺服分析對(duì)測(cè)控設(shè)備的總體要求與電機(jī)測(cè)試有很大的差異，其中加載裝置的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩控制精度是其關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)，包括快速性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性等。
（1） 快速性
快速性反映了加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，其技術(shù)指標(biāo)是加載轉(zhuǎn)矩從零到100% 額定轉(zhuǎn)矩的階躍上升時(shí)間。對(duì)伺服分析系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要求動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間越短越好。
在提供各種類(lèi)型測(cè)試臺(tái)應(yīng)用的交流傳動(dòng)方面，ABB 變頻器享有*的聲譽(yù)。由于采用了一種叫做 DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速技術(shù)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于 5 毫秒（資料公布的數(shù)據(jù)為 1.6 毫秒）。就目前所有的測(cè)功機(jī)技術(shù)而言，DTC 是的。
因此，我們認(rèn)為只有 DTC 交流測(cè)功機(jī)才能滿足伺服分析系統(tǒng)所需要的快速性。
（2） 準(zhǔn)確性
做伺服分析，只有快速性是不夠的。還必須的控制加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的加載。
加載電機(jī)的準(zhǔn)確性和轉(zhuǎn)矩控制精度與測(cè)量范圍有關(guān)。常用伺服系統(tǒng)的功率一般在 15kW 以下，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩從 2.2 Nm 到 50 Nm 不等，屬于小功率特種電機(jī)。如果要從zui小的 2.2 Nm 開(kāi)始到 50 Nm 系列的伺服電機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn)，加載轉(zhuǎn)矩控制的準(zhǔn)確性必須達(dá)到 0.1Nm。按照 50Nm 為滿量程計(jì)算，轉(zhuǎn)矩控制精度就必須達(dá)到 0.2%。
如何實(shí)現(xiàn)交流測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，一直是大家所研究的重要課題，也是一個(gè)很大的難題。由于種種原因，很多廠家不愿意提及自己設(shè)備的控制精度，這對(duì)用戶是不負(fù)責(zé)任的。
重慶高標(biāo)科技有限公司在 ABB 傳動(dòng)部的大量支持與幫助下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期深入的研究與試驗(yàn)，了一種新的轉(zhuǎn)矩控制策略，解決了交流測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制之難題，轉(zhuǎn)矩控制精度達(dá)到了 0.1%。從目前我們掌握的資料和信息來(lái)看，高標(biāo)公司的技術(shù)是的。
（3） 穩(wěn)定性
傳統(tǒng)的磁粉制動(dòng)器和磁滯測(cè)功機(jī)是中小型電機(jī)測(cè)試的主要加載裝置。這兩種測(cè)功機(jī)都屬于能量吸收型測(cè)功機(jī)，自身吸收的能量需要通過(guò)風(fēng)冷或水冷排出去，長(zhǎng)時(shí)間加載運(yùn)行將會(huì)由于內(nèi)部溫度升高而造成加載轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，從而影響加載試驗(yàn)的重復(fù)性。此外，轉(zhuǎn)矩控制特性也不好。
交流測(cè)功機(jī)是一種電力測(cè)功器，加載電機(jī)吸收的能量可以通過(guò)變頻器消耗在外接的電阻器上，也可以直接回饋電網(wǎng)或被其它變頻器所利用。因此，在變頻器控制之下的加載電機(jī)發(fā)熱量很小，工作狀態(tài)非常穩(wěn)定，并且具有節(jié)能、高可靠性和免維護(hù)之特點(diǎn)。
（4） 可靠性
作為伺服分析系統(tǒng)，就如同醫(yī)院里的 CT 機(jī)和心電儀一樣，測(cè)量與控制必須非常的可靠，這樣才能提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行伺服分析。伺服分析系統(tǒng)的可靠性來(lái)自多方面的性能和質(zhì)量保障，包括加載裝置的可靠性，測(cè)量信號(hào)的可靠性，數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換的可靠性以及機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性等。因此，需要從系統(tǒng)的各個(gè)方面來(lái)分析和確定系統(tǒng)的各項(xiàng)性能和參數(shù)，zui終確保系統(tǒng)的可靠性。
1.6 主要功能和技術(shù)指標(biāo)
CMTS 1550 客制電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)是重慶高標(biāo)公司為伺服分析而設(shè)計(jì)的一個(gè)定制設(shè)備，能夠進(jìn)行 15 kW 以下伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器的集成檢測(cè)和特性分析。應(yīng)用場(chǎng)合以產(chǎn)品研發(fā)中心和實(shí)驗(yàn)室為主，也可用于產(chǎn)品生產(chǎn)線。
##61550; 被測(cè)電機(jī)規(guī)格： 60、80、90、110、130、150、190。
##61550; 模擬加載裝置： 交流測(cè)功機(jī)，額定功率15 kW，額定矩扭50 Nm。
##61550; 轉(zhuǎn)矩控制模式： 直接轉(zhuǎn)矩控制（無(wú)扭矩傳感器）／轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制（帶扭矩傳感器）。
##61550; 轉(zhuǎn)速控制模式： 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制（帶轉(zhuǎn)速脈沖編碼器）。
##61550; 轉(zhuǎn)矩測(cè)量/反饋： 德國(guó)ETH扭矩傳感器，測(cè)量范圍0…50Nm，精度0.5%（滿量程），
轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間（10% 到 90% 轉(zhuǎn)矩階躍上升時(shí)間）小于 2 ms。
##61550; 轉(zhuǎn)速測(cè)量/反饋： 增量式脈沖編碼器，每轉(zhuǎn)8,000個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)速分辨率0.01 rpm。
##61550; 轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)特性： 轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間（0到100%額定轉(zhuǎn)矩階躍加載時(shí)間）小于5 ms。
##61550; 速度調(diào)節(jié)范圍： 主傳動(dòng)軸 0 rpm…6,000 rpm／副傳動(dòng)軸 0 rpm…12,000 rpm。
##61550; 轉(zhuǎn)矩控制精度： 3%（開(kāi)環(huán)）／0.1%（閉環(huán)）。
##61550; 轉(zhuǎn)速控制精度： 0.1%（開(kāi)環(huán)）／0.01%（閉環(huán)）。
2 平臺(tái)設(shè)計(jì)和主要設(shè)備
2.1 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
如何選用*而可靠的測(cè)控設(shè)備來(lái)搭建一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)，為用戶提供一套性能優(yōu)良，功能齊全，操作簡(jiǎn)單，使用方便的測(cè)控儀器，是我們研發(fā)伺服分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和努力方向。
為了避免使用傳統(tǒng)的工業(yè)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、單片機(jī)等來(lái)搭建測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，提高測(cè)控設(shè)備的通用性、靈活性、可靠性和降低成本。我們學(xué)習(xí)和參考國(guó)外公司的*設(shè)計(jì)理念，以我們自己研發(fā)的 D8001 型可編程交流測(cè)功機(jī)控制器為核心，對(duì)電機(jī)加載、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)通訊和測(cè)試軟件等進(jìn)行了多方面的創(chuàng)新和改進(jìn)。我們所使用的技術(shù)全部具有當(dāng)今世界電機(jī)測(cè)控的zui高水平，包括的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)和自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)。
伺服分析測(cè)控系統(tǒng)控制框圖如圖所示，全部測(cè)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)了模塊化、柔性化和智能化。主要測(cè)控設(shè)備有：
##61550; 加載電機(jī)（三相交流異步電動(dòng)機(jī)），額定功率 15 kW。
##61550; ABB 公司 ACS800 系列變頻器，能耗吸收型。
##61550; D8001 高速可編程交流測(cè)功機(jī)控制器，高標(biāo)公司新產(chǎn)品。
##61550; 德國(guó) ETH 公司扭矩傳感器，量程 50 Nm，測(cè)量誤差小于 0.5%。
##61550; CMTS 8.0 電機(jī)測(cè)試軟件，用于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和分析處理。
伺服系統(tǒng)的特性分析包括系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩個(gè)方面。在測(cè)試與分析方面，系統(tǒng)靜態(tài)特性的測(cè)試和分析相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易，而動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試和分析則要困難得多。在調(diào)試技術(shù)方面，離線調(diào)試比較容易實(shí)現(xiàn)，而帶負(fù)載的在線調(diào)試則困難得多。交流伺服系統(tǒng)測(cè)試與分析的主要內(nèi)容有以下各項(xiàng)。
（1） 時(shí)域階躍響應(yīng)測(cè)試
任意輸入基速、階躍量及運(yùn)行時(shí)間的組合，測(cè)試階躍響應(yīng)特性，從而得到在不同負(fù)載條件下的超調(diào)量、上升時(shí)間 、振蕩次數(shù)等指標(biāo)。
（2） 頻域特性測(cè)試
輸入基速及正弦波的幅值，經(jīng)測(cè)量后可給出頻域特性曲線，從而得到標(biāo)稱角頻率、頻帶寬度和諧振峰值等重要指標(biāo)。
（3） 加載速降測(cè)試
通過(guò)在不同轉(zhuǎn)速下的加載測(cè)試，可測(cè)得空載轉(zhuǎn)速 、加載轉(zhuǎn)速 Ⅳ 、加載轉(zhuǎn)矩，從而得到不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)差率的大小。
（4） 其它測(cè)試功能
除了以上測(cè)試功能外，還可以對(duì)伺服系統(tǒng)的零漂、伺服增益、正反轉(zhuǎn)速差進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程自動(dòng)完成，測(cè)試結(jié)果打印輸出。
1.5 總體要求
目前，許多測(cè)功機(jī)、傳感器和電機(jī)測(cè)試設(shè)備的生產(chǎn)廠家都聲稱自己的設(shè)備可以做伺服分析。從試驗(yàn)方法和測(cè)控設(shè)備來(lái)看，伺服分析和電機(jī)測(cè)試都是對(duì)電機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn)，測(cè)控設(shè)備也大同小異，包括測(cè)功機(jī)，扭矩傳感器，測(cè)功機(jī)控制器和電機(jī)測(cè)試軟件等。
但是，伺服分析對(duì)測(cè)控設(shè)備的總體要求與電機(jī)測(cè)試有很大的差異，其中加載裝置的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩控制精度是其關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)，包括快速性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性等。
（1） 快速性
快速性反映了加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，其技術(shù)指標(biāo)是加載轉(zhuǎn)矩從零到100% 額定轉(zhuǎn)矩的階躍上升時(shí)間。對(duì)伺服分析系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要求動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間越短越好。
在提供各種類(lèi)型測(cè)試臺(tái)應(yīng)用的交流傳動(dòng)方面，ABB 變頻器享有*的聲譽(yù)。由于采用了一種叫做 DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速技術(shù)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于 5 毫秒（資料公布的數(shù)據(jù)為 1.6 毫秒）。就目前所有的測(cè)功機(jī)技術(shù)而言，DTC 是的。
因此，我們認(rèn)為只有 DTC 交流測(cè)功機(jī)才能滿足伺服分析系統(tǒng)所需要的快速性。
（2） 準(zhǔn)確性
做伺服分析，只有快速性是不夠的。還必須的控制加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的加載。
加載電機(jī)的準(zhǔn)確性和轉(zhuǎn)矩控制精度與測(cè)量范圍有關(guān)。常用伺服系統(tǒng)的功率一般在 15kW 以下，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩從 2.2 Nm 到 50 Nm 不等，屬于小功率特種電機(jī)。如果要從zui小的 2.2 Nm 開(kāi)始到 50 Nm 系列的伺服電機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn)，加載轉(zhuǎn)矩控制的準(zhǔn)確性必須達(dá)到 0.1Nm。按照 50Nm 為滿量程計(jì)算，轉(zhuǎn)矩控制精度就必須達(dá)到 0.2%。
如何實(shí)現(xiàn)交流測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，一直是大家所研究的重要課題，也是一個(gè)很大的難題。由于種種原因，很多廠家不愿意提及自己設(shè)備的控制精度，這對(duì)用戶是不負(fù)責(zé)任的。
重慶高標(biāo)科技有限公司在 ABB 傳動(dòng)部的大量支持與幫助下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期深入的研究與試驗(yàn)，了一種新的轉(zhuǎn)矩控制策略，解決了交流測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制之難題，轉(zhuǎn)矩控制精度達(dá)到了 0.1%。從目前我們掌握的資料和信息來(lái)看，高標(biāo)公司的技術(shù)是的。
（3） 穩(wěn)定性
傳統(tǒng)的磁粉制動(dòng)器和磁滯測(cè)功機(jī)是中小型電機(jī)測(cè)試的主要加載裝置。這兩種測(cè)功機(jī)都屬于能量吸收型測(cè)功機(jī)，自身吸收的能量需要通過(guò)風(fēng)冷或水冷排出去，長(zhǎng)時(shí)間加載運(yùn)行將會(huì)由于內(nèi)部溫度升高而造成加載轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，從而影響加載試驗(yàn)的重復(fù)性。此外，轉(zhuǎn)矩控制特性也不好。
交流測(cè)功機(jī)是一種電力測(cè)功器，加載電機(jī)吸收的能量可以通過(guò)變頻器消耗在外接的電阻器上，也可以直接回饋電網(wǎng)或被其它變頻器所利用。因此，在變頻器控制之下的加載電機(jī)發(fā)熱量很小，工作狀態(tài)非常穩(wěn)定，并且具有節(jié)能、高可靠性和免維護(hù)之特點(diǎn)。
（4） 可靠性
作為伺服分析系統(tǒng)，就如同醫(yī)院里的 CT 機(jī)和心電儀一樣，測(cè)量與控制必須非常的可靠，這樣才能提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行伺服分析。伺服分析系統(tǒng)的可靠性來(lái)自多方面的性能和質(zhì)量保障，包括加載裝置的可靠性，測(cè)量信號(hào)的可靠性，數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換的可靠性以及機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性等。因此，需要從系統(tǒng)的各個(gè)方面來(lái)分析和確定系統(tǒng)的各項(xiàng)性能和參數(shù)，zui終確保系統(tǒng)的可靠性。
1.6 主要功能和技術(shù)指標(biāo)
CMTS 1550 客制電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)是重慶高標(biāo)公司為伺服分析而設(shè)計(jì)的一個(gè)定制設(shè)備，能夠進(jìn)行 15 kW 以下伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器的集成檢測(cè)和特性分析。應(yīng)用場(chǎng)合以產(chǎn)品研發(fā)中心和實(shí)驗(yàn)室為主，也可用于產(chǎn)品生產(chǎn)線。
伺服系統(tǒng)特性分析與檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
CMTS 1550 的總體性能達(dá)到了當(dāng)前電機(jī)測(cè)試的zui高水平，其技術(shù)指標(biāo)可以作為伺服分析系統(tǒng)的典型數(shù)據(jù)。我們自己認(rèn)為，如果缺少這些功能和達(dá)不到這些技術(shù)指標(biāo)，就不能算是伺服分析，而只能還是在測(cè)電機(jī)。##61550; 被測(cè)電機(jī)規(guī)格： 60、80、90、110、130、150、190。
##61550; 模擬加載裝置： 交流測(cè)功機(jī)，額定功率15 kW，額定矩扭50 Nm。
##61550; 轉(zhuǎn)矩控制模式： 直接轉(zhuǎn)矩控制（無(wú)扭矩傳感器）／轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制（帶扭矩傳感器）。
##61550; 轉(zhuǎn)速控制模式： 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制（帶轉(zhuǎn)速脈沖編碼器）。
##61550; 轉(zhuǎn)矩測(cè)量/反饋： 德國(guó)ETH扭矩傳感器，測(cè)量范圍0…50Nm，精度0.5%（滿量程），
轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間（10% 到 90% 轉(zhuǎn)矩階躍上升時(shí)間）小于 2 ms。
##61550; 轉(zhuǎn)速測(cè)量/反饋： 增量式脈沖編碼器，每轉(zhuǎn)8,000個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)速分辨率0.01 rpm。
##61550; 轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)特性： 轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間（0到100%額定轉(zhuǎn)矩階躍加載時(shí)間）小于5 ms。
##61550; 速度調(diào)節(jié)范圍： 主傳動(dòng)軸 0 rpm…6,000 rpm／副傳動(dòng)軸 0 rpm…12,000 rpm。
##61550; 轉(zhuǎn)矩控制精度： 3%（開(kāi)環(huán)）／0.1%（閉環(huán)）。
##61550; 轉(zhuǎn)速控制精度： 0.1%（開(kāi)環(huán)）／0.01%（閉環(huán)）。
2 平臺(tái)設(shè)計(jì)和主要設(shè)備
2.1 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
如何選用*而可靠的測(cè)控設(shè)備來(lái)搭建一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)，為用戶提供一套性能優(yōu)良，功能齊全，操作簡(jiǎn)單，使用方便的測(cè)控儀器，是我們研發(fā)伺服分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和努力方向。
為了避免使用傳統(tǒng)的工業(yè)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、單片機(jī)等來(lái)搭建測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，提高測(cè)控設(shè)備的通用性、靈活性、可靠性和降低成本。我們學(xué)習(xí)和參考國(guó)外公司的*設(shè)計(jì)理念，以我們自己研發(fā)的 D8001 型可編程交流測(cè)功機(jī)控制器為核心，對(duì)電機(jī)加載、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)通訊和測(cè)試軟件等進(jìn)行了多方面的創(chuàng)新和改進(jìn)。我們所使用的技術(shù)全部具有當(dāng)今世界電機(jī)測(cè)控的zui高水平，包括的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)和自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)。
伺服分析測(cè)控系統(tǒng)控制框圖如圖所示，全部測(cè)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)了模塊化、柔性化和智能化。主要測(cè)控設(shè)備有：
##61550; 加載電機(jī)（三相交流異步電動(dòng)機(jī)），額定功率 15 kW。
##61550; ABB 公司 ACS800 系列變頻器，能耗吸收型。
##61550; D8001 高速可編程交流測(cè)功機(jī)控制器，高標(biāo)公司新產(chǎn)品。
##61550; 德國(guó) ETH 公司扭矩傳感器，量程 50 Nm，測(cè)量誤差小于 0.5%。
##61550; CMTS 8.0 電機(jī)測(cè)試軟件，用于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和分析處理。
2.2 試驗(yàn)臺(tái)架
交流伺服電機(jī)在外型和結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是體積小，品種規(guī)格多，15kW以下交流伺服電機(jī)的規(guī)格就有60、80、90、110、130、150和190共七種。這就要求測(cè)試平臺(tái)必須兼容所有電機(jī)的安裝和定位，并且對(duì)軸連接的同心度、位置偏差、臺(tái)架振動(dòng)以及快速安裝和拆卸等方面都有很高的要求。
為此，我們借鑒和參考了大量國(guó)內(nèi)外測(cè)試臺(tái)架，針對(duì)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款適應(yīng)多種電機(jī)安裝的組件式的試驗(yàn)臺(tái)架。其特點(diǎn)是：布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊，工藝*，使用方便。
變頻器和能耗電阻安裝在臺(tái)架內(nèi)部，測(cè)試臺(tái)安裝的典型部件有：
##61550; 高強(qiáng)度重載荷鋁型材測(cè)試臺(tái)架。
##61550; 帶T型槽平板及加載電機(jī)安裝底座。
##61550; 帶升降和鎖緊機(jī)構(gòu)的被測(cè)電機(jī)安裝平臺(tái)。
##61550; 帶刻度和鎖緊的 X-Y 兩坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)。
##61550; 同步升速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（高速試驗(yàn)用）。
##61550; 高精度扭矩傳感器，主副軸各一只。
##61550; 電機(jī)快速安裝和定位夾具。
##61550; 現(xiàn)場(chǎng)控制器接線和配電箱。
交流伺服電機(jī)在外型和結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是體積小，品種規(guī)格多，15kW以下交流伺服電機(jī)的規(guī)格就有60、80、90、110、130、150和190共七種。這就要求測(cè)試平臺(tái)必須兼容所有電機(jī)的安裝和定位，并且對(duì)軸連接的同心度、位置偏差、臺(tái)架振動(dòng)以及快速安裝和拆卸等方面都有很高的要求。
為此，我們借鑒和參考了大量國(guó)內(nèi)外測(cè)試臺(tái)架，針對(duì)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款適應(yīng)多種電機(jī)安裝的組件式的試驗(yàn)臺(tái)架。其特點(diǎn)是：布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊，工藝*，使用方便。
變頻器和能耗電阻安裝在臺(tái)架內(nèi)部，測(cè)試臺(tái)安裝的典型部件有：
##61550; 高強(qiáng)度重載荷鋁型材測(cè)試臺(tái)架。
##61550; 帶T型槽平板及加載電機(jī)安裝底座。
##61550; 帶升降和鎖緊機(jī)構(gòu)的被測(cè)電機(jī)安裝平臺(tái)。
##61550; 帶刻度和鎖緊的 X-Y 兩坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)。
##61550; 同步升速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（高速試驗(yàn)用）。
##61550; 高精度扭矩傳感器，主副軸各一只。
##61550; 電機(jī)快速安裝和定位夾具。
##61550; 現(xiàn)場(chǎng)控制器接線和配電箱。
2.3 扭矩傳感器
加載電機(jī)與被測(cè)伺服電機(jī)之間是扭矩傳感器，傳感器兩端使用彈性聯(lián)軸器相互連接。加載電機(jī)的主軸為主傳動(dòng)，軸上有一個(gè)同步皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以在副傳動(dòng)軸上提升 2 到 4 倍的轉(zhuǎn)速，用于伺服系統(tǒng)的高速性能試驗(yàn)。
扭矩傳感器選配德國(guó) ETH 公司 DRBK 50 型高精度傳感器，測(cè)量范圍 50 Nm，測(cè)量誤差小于 0.5%，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于 2 毫秒。
加載電機(jī)與被測(cè)伺服電機(jī)之間是扭矩傳感器，傳感器兩端使用彈性聯(lián)軸器相互連接。加載電機(jī)的主軸為主傳動(dòng)，軸上有一個(gè)同步皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以在副傳動(dòng)軸上提升 2 到 4 倍的轉(zhuǎn)速，用于伺服系統(tǒng)的高速性能試驗(yàn)。
扭矩傳感器選配德國(guó) ETH 公司 DRBK 50 型高精度傳感器，測(cè)量范圍 50 Nm，測(cè)量誤差小于 0.5%，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于 2 毫秒。
扭矩傳感器的測(cè)量信號(hào)是伺服分析的主要數(shù)據(jù)，同時(shí)也是交流測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的反饋信號(hào)。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，扭矩傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間對(duì)實(shí)現(xiàn)交流測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制并保證其高精度非常必要，這一點(diǎn)往往被大家所忽視。
2.4 測(cè)功機(jī)控制器
伺服分析需要對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行各種加載試驗(yàn)，主要運(yùn)行模式有定轉(zhuǎn)矩加載和定轉(zhuǎn)速加載，以及如堵轉(zhuǎn)、反拖和帶載啟動(dòng)等極限工況。加載試驗(yàn)可以由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，即通過(guò)測(cè)試軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。但在實(shí)際使用中，我們需要簡(jiǎn)單方便的使用方法，特別是生產(chǎn)線和質(zhì)檢站，更需要快速的操作，如產(chǎn)品的合格與不合格檢驗(yàn)。
2.4 測(cè)功機(jī)控制器
伺服分析需要對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行各種加載試驗(yàn)，主要運(yùn)行模式有定轉(zhuǎn)矩加載和定轉(zhuǎn)速加載，以及如堵轉(zhuǎn)、反拖和帶載啟動(dòng)等極限工況。加載試驗(yàn)可以由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，即通過(guò)測(cè)試軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。但在實(shí)際使用中，我們需要簡(jiǎn)單方便的使用方法，特別是生產(chǎn)線和質(zhì)檢站，更需要快速的操作，如產(chǎn)品的合格與不合格檢驗(yàn)。
為此，重慶高標(biāo)公司參考國(guó)外的設(shè)計(jì)理念，專(zhuān)門(mén)為交流測(cè)功機(jī)配套研制了一款多功能的智能儀器，即 D8001 型可編程交流測(cè)功機(jī)控制器，從而使得加載試驗(yàn)非常的簡(jiǎn)單和方便。
（1） D8001 簡(jiǎn)介
D8001 型可編程交流測(cè)功機(jī)控制器采用的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和可編程控制器，具有的交流測(cè)功機(jī)之控制功能。D8001 設(shè)計(jì)用來(lái)與 ABB 變頻器、三相異步加載電機(jī)、轉(zhuǎn)速-扭矩傳感器以及計(jì)算機(jī)和其它測(cè)控設(shè)備配套使用。加載運(yùn)行可以手動(dòng)操作，也可通過(guò)以太網(wǎng)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。由于采用了 ABB * DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)和高標(biāo)公司的轉(zhuǎn)矩控制策略，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制精度高，可重復(fù)性好，抗干擾性強(qiáng)，更是實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線的理想之選。詳細(xì)資料可從高標(biāo)公司下載。
（2） 主要特性
##61550; 高速數(shù)據(jù)讀?。和ㄟ^(guò)以太網(wǎng)每秒鐘可獲取 120 個(gè)扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)（RS-232 約為 60 個(gè)）。
##61550; 加載模式：定轉(zhuǎn)速加載，定轉(zhuǎn)矩加載，帶載啟動(dòng)，動(dòng)態(tài)堵轉(zhuǎn)，加載／反拖轉(zhuǎn)換。
##61550; 轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩開(kāi)環(huán)控制（DTC 轉(zhuǎn)矩直接控制），轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制（扭矩傳感器反饋）。
##61550; 扭矩傳感器：模擬信號(hào)直接輸入，無(wú)需采集卡，數(shù)據(jù)采集精度 24 位。
##61550; 通訊接口：以太網(wǎng)（Ethernet），通訊速率 100 MHz。
##61550; 高亮度真空熒光顯示器（VFD）：顯示扭矩、轉(zhuǎn)速、功率的設(shè)定值、實(shí)際值以及運(yùn)行狀態(tài)。
##61550; 快速性能參數(shù)和曲線測(cè)試：從空載到堵轉(zhuǎn)的性能和參數(shù)測(cè)試運(yùn)行時(shí)間只需要 3 到 5 秒。
##61550; 外形結(jié)構(gòu)：19 吋 2U 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，可獨(dú)立放置在操作臺(tái)上，也可安裝到 19 吋機(jī)柜中。
3.1 交流測(cè)功機(jī)不是變頻器 電動(dòng)機(jī)
從電氣傳動(dòng)的角度來(lái)看，交流測(cè)功機(jī)是交流傳動(dòng)，即變頻器的一種特殊的應(yīng)用方式。由于設(shè)備的特殊性和應(yīng)用的單一性，長(zhǎng)期以來(lái)，人們只是把測(cè)功機(jī)當(dāng)作是原動(dòng)機(jī)的負(fù)載模擬和能量吸收裝置，因而也就習(xí)慣性的把交流測(cè)功機(jī)看作是“變頻器 電動(dòng)機(jī)”。這就如同把雷達(dá)看作是簡(jiǎn)單的無(wú)線電接受與發(fā)射裝置一樣，是非常片面的。
從測(cè)功機(jī)的角度來(lái)看，交流測(cè)功機(jī)是一種新型的電力測(cè)功器，它使用交流異步電動(dòng)機(jī)做加載設(shè)備，加載電機(jī)由變頻器提供驅(qū)動(dòng)電源，并的控制其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。與傳統(tǒng)的水力測(cè)功機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)等測(cè)功器相比較，交流測(cè)功機(jī)具有的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)、優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制特性，以及節(jié)能和高可靠性。此外，交流測(cè)功機(jī)是一種電動(dòng)加載，同時(shí)具有測(cè)功機(jī)（制動(dòng)）和電動(dòng)機(jī)（驅(qū)動(dòng)）兩種工作模式，可以實(shí)現(xiàn)多種傳統(tǒng)測(cè)功器無(wú)法完成的測(cè)控方案，如能耗吸收、能量回饋電網(wǎng)、公共直流母線、電封閉、加載／反拖／堵轉(zhuǎn)等。目前，AVL、申克、寶克等世界的動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備制造廠家，都積極推廣和應(yīng)用基于交流測(cè)功機(jī)的動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)，并認(rèn)為是這是目前和未來(lái)的測(cè)控方案。
3.2 什么是 DTC？
DTC 是直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control）的英文縮寫(xiě)，它是繼矢量變換控制技術(shù)之后，在20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型的交流異步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。
DTC 是交流傳動(dòng)領(lǐng)域電機(jī)控制方式的一次革命，它從零轉(zhuǎn)速開(kāi)始不使用電機(jī)軸上的脈沖編碼器和扭矩傳感器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，并具有的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)和優(yōu)異的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩控制特性。
DTC 對(duì)交流測(cè)功機(jī)來(lái)說(shuō)是一個(gè)*的方案，它可以對(duì)加載電機(jī)的核心參量—轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制。從而開(kāi)發(fā)出交流測(cè)功機(jī)的能力，并給所有測(cè)功機(jī)應(yīng)用提供了益處。
3.3 轉(zhuǎn)矩控制
變頻器的主要用途是控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)交流異步電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。因此，變頻器的轉(zhuǎn)速控制特性非常好，轉(zhuǎn)速的開(kāi)環(huán)控制精度可以達(dá)到千分之一秒（0.1%），而閉環(huán)控制精度則可以達(dá)到萬(wàn)分之一秒（0.01%）。
在絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，變頻器沒(méi)有轉(zhuǎn)矩控制的要求，當(dāng)然也就沒(méi)有準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)矩的功能。但是作為交流測(cè)功應(yīng)用的變頻器，必須準(zhǔn)確的控制加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，因此需要采取另外的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。這是交流測(cè)功機(jī)應(yīng)用之變頻器必須解決的問(wèn)題，也是交流測(cè)功機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)變頻器對(duì)轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確控制，人們很自然都會(huì)想到 PID 閉環(huán)控制策略。即加裝扭矩傳感器，把傳感器的測(cè)量的信號(hào)做反饋，通過(guò) PID 調(diào)節(jié)器來(lái)控制變頻器的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩給定。
PID 是一種經(jīng)典的閉環(huán)控制策略，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域，如轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、流量控制、壓力控制等等。PID 有多種算法，可以由計(jì)算機(jī)、PLC 或的 PID 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于各家使用的 PID 策略不同，調(diào)試的水平也各有千秋，因此 PID 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的實(shí)際效果也只有誰(shuí)用誰(shuí)知道。
我們把這種在變頻器之外，獨(dú)立完成的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略簡(jiǎn)稱為“體外循環(huán)”，以區(qū)別于高標(biāo)公司的直接在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的“體內(nèi)循環(huán)”。
根據(jù)我們的研究和試驗(yàn)，采用“體外循環(huán)”的方案不能實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)特性也將大大降低。同時(shí)存在 PID 參數(shù)難以整定，容易產(chǎn)生啟動(dòng)過(guò)沖和震蕩等。其原因是 DTC 變頻器的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)太快了，傳統(tǒng)的 PID 控制策略根本無(wú)法快速而準(zhǔn)確的控制加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。詳細(xì)的技術(shù)分析可參閱李茂森寫(xiě)的《交流測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)策略之研究》。
為了實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，重慶高標(biāo)公司在 ABB 傳動(dòng)部的大力支持與幫助下，經(jīng)過(guò)深入的研究和反復(fù)的試驗(yàn)，結(jié)合 DTC 變頻器的特性，采用了一種新的控制策略，實(shí)現(xiàn)了 DTC 高動(dòng)態(tài)響應(yīng)與高精度轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)合。
高標(biāo)公司轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略的主要方法是將控制程序安裝在變頻器主板的內(nèi)存中，與變頻器的其它控制程序高度集成，協(xié)調(diào)統(tǒng)一。我們把這種直接在變頻器內(nèi)部完成的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略成為“體內(nèi)循環(huán)”。
高標(biāo)公司轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略的主要特點(diǎn)有：
（1） 使用 ABB 變頻器的可編程功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。這些功能模塊均為軟件模塊，包括比較器、加法器和 PI 運(yùn)算器等。它們自己能夠很好的與 ABB 變頻器的參數(shù)進(jìn)行匹配，不存在參數(shù)換算、比例修正和時(shí)間延遲等協(xié)調(diào)問(wèn)題。
（2） 使用 ABB 變頻器自身的模擬信號(hào)輸入口來(lái)直接采集扭矩傳感器的模擬信號(hào)，避免數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換過(guò)程中的誤差和延時(shí)。數(shù)據(jù)采集精度 24 位，內(nèi)部運(yùn)算精度 48 位。
（3） 編程和調(diào)試完成后的控制程序直接下載到變頻器的主板上，可靠性*。
需要特別指出的是，采用“體內(nèi)循環(huán)”策略來(lái)做轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，對(duì)扭矩傳感器有很高的要求，特別是扭矩傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間必須小于 DTC 變頻器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間（小于 5 毫秒）。我們?cè)囼?yàn)的結(jié)果是達(dá)到了千分之一（0.1%）的轉(zhuǎn)矩控制精度，就我們目前所知，屬于世界zui高水平。
4 試驗(yàn)與分析
4.1 操作與控制
有了 D8001 交流測(cè)功機(jī)控制器，我們就可以輕輕松松的做加載試驗(yàn)了。D8001 是一款功能齊全的智能儀器，在其前面板上，設(shè)計(jì)有各種功能按鈕和旋鈕。加載電機(jī)的運(yùn)行模式和轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩設(shè)定可以手動(dòng)操作，也可通過(guò)以太網(wǎng)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。由于采用了 ABB * DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)和高標(biāo)公司的轉(zhuǎn)矩控制策略，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制精度高，可重復(fù)性好，控制器的使用非常的簡(jiǎn)單和方便。
（1） D8001 簡(jiǎn)介
D8001 型可編程交流測(cè)功機(jī)控制器采用的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和可編程控制器，具有的交流測(cè)功機(jī)之控制功能。D8001 設(shè)計(jì)用來(lái)與 ABB 變頻器、三相異步加載電機(jī)、轉(zhuǎn)速-扭矩傳感器以及計(jì)算機(jī)和其它測(cè)控設(shè)備配套使用。加載運(yùn)行可以手動(dòng)操作，也可通過(guò)以太網(wǎng)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。由于采用了 ABB * DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)和高標(biāo)公司的轉(zhuǎn)矩控制策略，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制精度高，可重復(fù)性好，抗干擾性強(qiáng)，更是實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線的理想之選。詳細(xì)資料可從高標(biāo)公司下載。
（2） 主要特性
##61550; 高速數(shù)據(jù)讀?。和ㄟ^(guò)以太網(wǎng)每秒鐘可獲取 120 個(gè)扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)（RS-232 約為 60 個(gè)）。
##61550; 加載模式：定轉(zhuǎn)速加載，定轉(zhuǎn)矩加載，帶載啟動(dòng)，動(dòng)態(tài)堵轉(zhuǎn)，加載／反拖轉(zhuǎn)換。
##61550; 轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩開(kāi)環(huán)控制（DTC 轉(zhuǎn)矩直接控制），轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制（扭矩傳感器反饋）。
##61550; 扭矩傳感器：模擬信號(hào)直接輸入，無(wú)需采集卡，數(shù)據(jù)采集精度 24 位。
##61550; 通訊接口：以太網(wǎng)（Ethernet），通訊速率 100 MHz。
##61550; 高亮度真空熒光顯示器（VFD）：顯示扭矩、轉(zhuǎn)速、功率的設(shè)定值、實(shí)際值以及運(yùn)行狀態(tài)。
##61550; 快速性能參數(shù)和曲線測(cè)試：從空載到堵轉(zhuǎn)的性能和參數(shù)測(cè)試運(yùn)行時(shí)間只需要 3 到 5 秒。
##61550; 外形結(jié)構(gòu)：19 吋 2U 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，可獨(dú)立放置在操作臺(tái)上，也可安裝到 19 吋機(jī)柜中。
3 關(guān)鍵技術(shù)和解決方案
3.1 交流測(cè)功機(jī)不是變頻器 電動(dòng)機(jī)
從電氣傳動(dòng)的角度來(lái)看，交流測(cè)功機(jī)是交流傳動(dòng)，即變頻器的一種特殊的應(yīng)用方式。由于設(shè)備的特殊性和應(yīng)用的單一性，長(zhǎng)期以來(lái)，人們只是把測(cè)功機(jī)當(dāng)作是原動(dòng)機(jī)的負(fù)載模擬和能量吸收裝置，因而也就習(xí)慣性的把交流測(cè)功機(jī)看作是“變頻器 電動(dòng)機(jī)”。這就如同把雷達(dá)看作是簡(jiǎn)單的無(wú)線電接受與發(fā)射裝置一樣，是非常片面的。
從測(cè)功機(jī)的角度來(lái)看，交流測(cè)功機(jī)是一種新型的電力測(cè)功器，它使用交流異步電動(dòng)機(jī)做加載設(shè)備，加載電機(jī)由變頻器提供驅(qū)動(dòng)電源，并的控制其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。與傳統(tǒng)的水力測(cè)功機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)等測(cè)功器相比較，交流測(cè)功機(jī)具有的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)、優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制特性，以及節(jié)能和高可靠性。此外，交流測(cè)功機(jī)是一種電動(dòng)加載，同時(shí)具有測(cè)功機(jī)（制動(dòng)）和電動(dòng)機(jī)（驅(qū)動(dòng)）兩種工作模式，可以實(shí)現(xiàn)多種傳統(tǒng)測(cè)功器無(wú)法完成的測(cè)控方案，如能耗吸收、能量回饋電網(wǎng)、公共直流母線、電封閉、加載／反拖／堵轉(zhuǎn)等。目前，AVL、申克、寶克等世界的動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備制造廠家，都積極推廣和應(yīng)用基于交流測(cè)功機(jī)的動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)，并認(rèn)為是這是目前和未來(lái)的測(cè)控方案。
3.2 什么是 DTC？
DTC 是直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control）的英文縮寫(xiě)，它是繼矢量變換控制技術(shù)之后，在20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型的交流異步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。
DTC 是交流傳動(dòng)領(lǐng)域電機(jī)控制方式的一次革命，它從零轉(zhuǎn)速開(kāi)始不使用電機(jī)軸上的脈沖編碼器和扭矩傳感器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，并具有的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)和優(yōu)異的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩控制特性。
DTC 對(duì)交流測(cè)功機(jī)來(lái)說(shuō)是一個(gè)*的方案，它可以對(duì)加載電機(jī)的核心參量—轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制。從而開(kāi)發(fā)出交流測(cè)功機(jī)的能力，并給所有測(cè)功機(jī)應(yīng)用提供了益處。
3.3 轉(zhuǎn)矩控制
變頻器的主要用途是控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)交流異步電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。因此，變頻器的轉(zhuǎn)速控制特性非常好，轉(zhuǎn)速的開(kāi)環(huán)控制精度可以達(dá)到千分之一秒（0.1%），而閉環(huán)控制精度則可以達(dá)到萬(wàn)分之一秒（0.01%）。
在絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，變頻器沒(méi)有轉(zhuǎn)矩控制的要求，當(dāng)然也就沒(méi)有準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)矩的功能。但是作為交流測(cè)功應(yīng)用的變頻器，必須準(zhǔn)確的控制加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，因此需要采取另外的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。這是交流測(cè)功機(jī)應(yīng)用之變頻器必須解決的問(wèn)題，也是交流測(cè)功機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)變頻器對(duì)轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確控制，人們很自然都會(huì)想到 PID 閉環(huán)控制策略。即加裝扭矩傳感器，把傳感器的測(cè)量的信號(hào)做反饋，通過(guò) PID 調(diào)節(jié)器來(lái)控制變頻器的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩給定。
PID 是一種經(jīng)典的閉環(huán)控制策略，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域，如轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、流量控制、壓力控制等等。PID 有多種算法，可以由計(jì)算機(jī)、PLC 或的 PID 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于各家使用的 PID 策略不同，調(diào)試的水平也各有千秋，因此 PID 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的實(shí)際效果也只有誰(shuí)用誰(shuí)知道。
我們把這種在變頻器之外，獨(dú)立完成的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略簡(jiǎn)稱為“體外循環(huán)”，以區(qū)別于高標(biāo)公司的直接在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的“體內(nèi)循環(huán)”。
根據(jù)我們的研究和試驗(yàn)，采用“體外循環(huán)”的方案不能實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)特性也將大大降低。同時(shí)存在 PID 參數(shù)難以整定，容易產(chǎn)生啟動(dòng)過(guò)沖和震蕩等。其原因是 DTC 變頻器的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)太快了，傳統(tǒng)的 PID 控制策略根本無(wú)法快速而準(zhǔn)確的控制加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。詳細(xì)的技術(shù)分析可參閱李茂森寫(xiě)的《交流測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)策略之研究》。
為了實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，重慶高標(biāo)公司在 ABB 傳動(dòng)部的大力支持與幫助下，經(jīng)過(guò)深入的研究和反復(fù)的試驗(yàn)，結(jié)合 DTC 變頻器的特性，采用了一種新的控制策略，實(shí)現(xiàn)了 DTC 高動(dòng)態(tài)響應(yīng)與高精度轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)合。
高標(biāo)公司轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略的主要方法是將控制程序安裝在變頻器主板的內(nèi)存中，與變頻器的其它控制程序高度集成，協(xié)調(diào)統(tǒng)一。我們把這種直接在變頻器內(nèi)部完成的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略成為“體內(nèi)循環(huán)”。
高標(biāo)公司轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略的主要特點(diǎn)有：
（1） 使用 ABB 變頻器的可編程功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。這些功能模塊均為軟件模塊，包括比較器、加法器和 PI 運(yùn)算器等。它們自己能夠很好的與 ABB 變頻器的參數(shù)進(jìn)行匹配，不存在參數(shù)換算、比例修正和時(shí)間延遲等協(xié)調(diào)問(wèn)題。
（2） 使用 ABB 變頻器自身的模擬信號(hào)輸入口來(lái)直接采集扭矩傳感器的模擬信號(hào)，避免數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換過(guò)程中的誤差和延時(shí)。數(shù)據(jù)采集精度 24 位，內(nèi)部運(yùn)算精度 48 位。
（3） 編程和調(diào)試完成后的控制程序直接下載到變頻器的主板上，可靠性*。
需要特別指出的是，采用“體內(nèi)循環(huán)”策略來(lái)做轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，對(duì)扭矩傳感器有很高的要求，特別是扭矩傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間必須小于 DTC 變頻器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間（小于 5 毫秒）。我們?cè)囼?yàn)的結(jié)果是達(dá)到了千分之一（0.1%）的轉(zhuǎn)矩控制精度，就我們目前所知，屬于世界zui高水平。
4 試驗(yàn)與分析
4.1 操作與控制
有了 D8001 交流測(cè)功機(jī)控制器，我們就可以輕輕松松的做加載試驗(yàn)了。D8001 是一款功能齊全的智能儀器，在其前面板上，設(shè)計(jì)有各種功能按鈕和旋鈕。加載電機(jī)的運(yùn)行模式和轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩設(shè)定可以手動(dòng)操作，也可通過(guò)以太網(wǎng)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。由于采用了 ABB * DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)和高標(biāo)公司的轉(zhuǎn)矩控制策略，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制精度高，可重復(fù)性好，控制器的使用非常的簡(jiǎn)單和方便。
（1） 功能按鈕
##61550; 故障復(fù)位（RESET）：當(dāng)顯示變頻器或控制器出現(xiàn)故障時(shí)，按鍵復(fù)位。
##61550; 電機(jī)轉(zhuǎn)向（FOR／REV）：電機(jī)正轉(zhuǎn)（FOR），或電機(jī)反轉(zhuǎn)（REV）。
##61550; 控制模式（DTC／PID）：轉(zhuǎn)矩開(kāi)環(huán)控制（DTC），或轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制（PID）。
##61550; 加載模式（SPD／TOR）：定轉(zhuǎn)速控制（SPD），或定轉(zhuǎn)矩控制（TQE）。
##61550; 功能鍵（F1 和 F2）：預(yù)先定制的加載功能，如動(dòng)態(tài)堵轉(zhuǎn)、帶載啟動(dòng)等。
##61550; 加減按鈕（UP-DOWN）：手動(dòng)單步加減設(shè)定按鍵，每步 1 rpm或 0.1 Nm。
（2） 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩設(shè)定
D8001 控制器的轉(zhuǎn)矩設(shè)定和轉(zhuǎn)速設(shè)定使用同一個(gè)旋鈕，它能夠根據(jù)運(yùn)行模式自動(dòng)選擇轉(zhuǎn)速設(shè)定或轉(zhuǎn)矩設(shè)定。設(shè)定旋鈕使用脈沖發(fā)生器，設(shè)定準(zhǔn)確，手感*。
（3） 啟動(dòng)和停止
轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩設(shè)定旋鈕帶有啟動(dòng)／停止運(yùn)行功能，按一次旋鈕啟動(dòng)，再按一次則停止。
（4） 顯示
在 VFD 顯示屏可以顯示 D8001 控制器的各種參數(shù)和狀態(tài)。顯示參數(shù)有轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值、實(shí)際值和功率的計(jì)算值。特殊參數(shù)顯示和狀態(tài)可以定制，如產(chǎn)品的合格與不合格檢驗(yàn)。
##61550; 故障復(fù)位（RESET）：當(dāng)顯示變頻器或控制器出現(xiàn)故障時(shí)，按鍵復(fù)位。
##61550; 電機(jī)轉(zhuǎn)向（FOR／REV）：電機(jī)正轉(zhuǎn)（FOR），或電機(jī)反轉(zhuǎn)（REV）。
##61550; 控制模式（DTC／PID）：轉(zhuǎn)矩開(kāi)環(huán)控制（DTC），或轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制（PID）。
##61550; 加載模式（SPD／TOR）：定轉(zhuǎn)速控制（SPD），或定轉(zhuǎn)矩控制（TQE）。
##61550; 功能鍵（F1 和 F2）：預(yù)先定制的加載功能，如動(dòng)態(tài)堵轉(zhuǎn)、帶載啟動(dòng)等。
##61550; 加減按鈕（UP-DOWN）：手動(dòng)單步加減設(shè)定按鍵，每步 1 rpm或 0.1 Nm。
（2） 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩設(shè)定
D8001 控制器的轉(zhuǎn)矩設(shè)定和轉(zhuǎn)速設(shè)定使用同一個(gè)旋鈕，它能夠根據(jù)運(yùn)行模式自動(dòng)選擇轉(zhuǎn)速設(shè)定或轉(zhuǎn)矩設(shè)定。設(shè)定旋鈕使用脈沖發(fā)生器，設(shè)定準(zhǔn)確，手感*。
（3） 啟動(dòng)和停止
轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩設(shè)定旋鈕帶有啟動(dòng)／停止運(yùn)行功能，按一次旋鈕啟動(dòng)，再按一次則停止。
（4） 顯示
在 VFD 顯示屏可以顯示 D8001 控制器的各種參數(shù)和狀態(tài)。顯示參數(shù)有轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值、實(shí)際值和功率的計(jì)算值。特殊參數(shù)顯示和狀態(tài)可以定制，如產(chǎn)品的合格與不合格檢驗(yàn)。
4.2 試驗(yàn)?zāi)Ｊ?br />D8001 一個(gè)非常重要的特點(diǎn)是可編程，因而可以進(jìn)行適應(yīng)各種應(yīng)用。常用的幾種運(yùn)行模式已經(jīng)設(shè)計(jì)在其中，無(wú)論是手動(dòng)操作還是計(jì)算機(jī)控制，都十分的靈活方便。
特殊的運(yùn)行模式可以單獨(dú)定制（功能鍵 F1 或 F2），如動(dòng)態(tài)堵轉(zhuǎn)，帶載啟動(dòng)或產(chǎn)品的合格與不合格檢驗(yàn)。更為復(fù)雜的加載方法和運(yùn)行模式可以通過(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在運(yùn)行過(guò)程中可以通過(guò)測(cè)試軟件自動(dòng)記錄想要的參數(shù)，以便繪制曲線進(jìn)行特性分析。
（1） 瞬間加載（定轉(zhuǎn)矩控制）
正反向任意連續(xù)加載，加載電機(jī)吸收能量消耗在外接的電阻上或直接返回電網(wǎng)。
（2） 反拖切換（定轉(zhuǎn)速控制）
在空載或加載過(guò)程中瞬間將測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)原動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)換過(guò)程瞬間完成，不停機(jī)。
（3） 動(dòng)態(tài)堵轉(zhuǎn)（零轉(zhuǎn)速控制）
快速將空載旋轉(zhuǎn)的原動(dòng)機(jī)強(qiáng)制到零速堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，無(wú)需機(jī)械制動(dòng)器。從空轉(zhuǎn)到堵轉(zhuǎn)的加載時(shí)間約 1 到 3 秒鐘。堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)間不受限制，加載電機(jī)不發(fā)熱。
（4） 帶載啟動(dòng)（恒轉(zhuǎn)矩控制）
預(yù)先設(shè)定一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)過(guò)程中負(fù)載轉(zhuǎn)矩始終保持恒定不變。
（5） 產(chǎn)品檢驗(yàn)（定參數(shù)控制）
按照預(yù)定的檢驗(yàn)參數(shù)和運(yùn)行模式，運(yùn)行中自動(dòng)檢測(cè)，給出產(chǎn)品合格或不合格判斷。
（6） 自動(dòng)加載（計(jì)算機(jī)控制）
通過(guò)計(jì)算機(jī)按照編寫(xiě)的測(cè)試程序自動(dòng)加載，單點(diǎn)、多點(diǎn)、階躍、斜線、曲線均可。
以下是對(duì)兩個(gè)交流伺服系統(tǒng)進(jìn)行兩種不同加載試驗(yàn)的伺服分析實(shí)例。從測(cè)試曲線中我們可以非常直觀的觀察到在啟動(dòng)、加載、卸載的瞬間和動(dòng)態(tài)區(qū)域內(nèi)，伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程。因此，只有通過(guò)伺服分析，才能明明白白的知道我們自己產(chǎn)品到底如何？與其它公司產(chǎn)品比較有什么差異？差異又在什么地方？。有了伺服分析，這一系列的問(wèn)題都迎刃而解。
實(shí)例1：帶載啟動(dòng)
德國(guó)KEB交流伺服系統(tǒng)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩3.2 Nm，額定轉(zhuǎn)速 3,000 rpm。
圖7是的該伺服系統(tǒng)啟動(dòng)特性測(cè)試曲線，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速500 rpm，模擬加載轉(zhuǎn)矩5 Nm。
有了伺服特性曲線，我們可以從不同的角度來(lái)分析伺服系統(tǒng)的特性。對(duì)此伺服系統(tǒng)，我們的分析如下：
##61550; 電機(jī)從零轉(zhuǎn)速到500 rpm的啟動(dòng)時(shí)間為1.5 秒。轉(zhuǎn)速上升非常平滑，無(wú)過(guò)沖。
##61550; 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的上升也非常迅速和平滑，時(shí)間約1秒鐘。
##61550; 請(qǐng)?zhí)貏e注意，當(dāng)轉(zhuǎn)速快接近設(shè)定值 500 rpm 時(shí)，轉(zhuǎn)矩上升出現(xiàn)了拐點(diǎn)（3.5 Nm與3秒點(diǎn)）。我們認(rèn)為這是為了保證轉(zhuǎn)速上升的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，而采取的特別控制策略。由此可見(jiàn)，KEB伺服控制器的控制策略有獨(dú)到之處，這一點(diǎn)值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。
特殊的運(yùn)行模式可以單獨(dú)定制（功能鍵 F1 或 F2），如動(dòng)態(tài)堵轉(zhuǎn)，帶載啟動(dòng)或產(chǎn)品的合格與不合格檢驗(yàn)。更為復(fù)雜的加載方法和運(yùn)行模式可以通過(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在運(yùn)行過(guò)程中可以通過(guò)測(cè)試軟件自動(dòng)記錄想要的參數(shù)，以便繪制曲線進(jìn)行特性分析。
（1） 瞬間加載（定轉(zhuǎn)矩控制）
正反向任意連續(xù)加載，加載電機(jī)吸收能量消耗在外接的電阻上或直接返回電網(wǎng)。
（2） 反拖切換（定轉(zhuǎn)速控制）
在空載或加載過(guò)程中瞬間將測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)原動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)換過(guò)程瞬間完成，不停機(jī)。
（3） 動(dòng)態(tài)堵轉(zhuǎn)（零轉(zhuǎn)速控制）
快速將空載旋轉(zhuǎn)的原動(dòng)機(jī)強(qiáng)制到零速堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，無(wú)需機(jī)械制動(dòng)器。從空轉(zhuǎn)到堵轉(zhuǎn)的加載時(shí)間約 1 到 3 秒鐘。堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)間不受限制，加載電機(jī)不發(fā)熱。
（4） 帶載啟動(dòng)（恒轉(zhuǎn)矩控制）
預(yù)先設(shè)定一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)過(guò)程中負(fù)載轉(zhuǎn)矩始終保持恒定不變。
（5） 產(chǎn)品檢驗(yàn)（定參數(shù)控制）
按照預(yù)定的檢驗(yàn)參數(shù)和運(yùn)行模式，運(yùn)行中自動(dòng)檢測(cè)，給出產(chǎn)品合格或不合格判斷。
（6） 自動(dòng)加載（計(jì)算機(jī)控制）
通過(guò)計(jì)算機(jī)按照編寫(xiě)的測(cè)試程序自動(dòng)加載，單點(diǎn)、多點(diǎn)、階躍、斜線、曲線均可。
4.3 分析實(shí)例
以下是對(duì)兩個(gè)交流伺服系統(tǒng)進(jìn)行兩種不同加載試驗(yàn)的伺服分析實(shí)例。從測(cè)試曲線中我們可以非常直觀的觀察到在啟動(dòng)、加載、卸載的瞬間和動(dòng)態(tài)區(qū)域內(nèi)，伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程。因此，只有通過(guò)伺服分析，才能明明白白的知道我們自己產(chǎn)品到底如何？與其它公司產(chǎn)品比較有什么差異？差異又在什么地方？。有了伺服分析，這一系列的問(wèn)題都迎刃而解。
實(shí)例1：帶載啟動(dòng)
德國(guó)KEB交流伺服系統(tǒng)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩3.2 Nm，額定轉(zhuǎn)速 3,000 rpm。
圖7是的該伺服系統(tǒng)啟動(dòng)特性測(cè)試曲線，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速500 rpm，模擬加載轉(zhuǎn)矩5 Nm。
有了伺服特性曲線，我們可以從不同的角度來(lái)分析伺服系統(tǒng)的特性。對(duì)此伺服系統(tǒng)，我們的分析如下：
##61550; 電機(jī)從零轉(zhuǎn)速到500 rpm的啟動(dòng)時(shí)間為1.5 秒。轉(zhuǎn)速上升非常平滑，無(wú)過(guò)沖。
##61550; 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的上升也非常迅速和平滑，時(shí)間約1秒鐘。
##61550; 請(qǐng)?zhí)貏e注意，當(dāng)轉(zhuǎn)速快接近設(shè)定值 500 rpm 時(shí)，轉(zhuǎn)矩上升出現(xiàn)了拐點(diǎn)（3.5 Nm與3秒點(diǎn)）。我們認(rèn)為這是為了保證轉(zhuǎn)速上升的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，而采取的特別控制策略。由此可見(jiàn)，KEB伺服控制器的控制策略有獨(dú)到之處，這一點(diǎn)值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。
根據(jù)伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了伺服分析重要性和必要性。專(zhuān)門(mén)為伺服系統(tǒng)量身定制了伺服分析與檢測(cè)平臺(tái)，并對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，包括交流測(cè)功機(jī)、測(cè)功機(jī)控制器和扭矩傳感器，實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器的集成檢測(cè)。
到目前為止，由重慶高標(biāo)公司設(shè)計(jì)和制造的檢測(cè)平臺(tái)已交付兵器部五八所等多家單位。使用結(jié)果表明，該檢測(cè)平臺(tái)符合產(chǎn)品研發(fā)的需要，為提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量發(fā)揮了極為重要的作用。
到目前為止，由重慶高標(biāo)公司設(shè)計(jì)和制造的檢測(cè)平臺(tái)已交付兵器部五八所等多家單位。使用結(jié)果表明，該檢測(cè)平臺(tái)符合產(chǎn)品研發(fā)的需要，為提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量發(fā)揮了極為重要的作用。