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摘要：介绍了基于运动控制器的数据采集和分析的伺服电机转矩转速测试平台，并在VC平台上开发了该平台的运动控制命令程序。以该测试系统测试了伺服电机的转矩转速参数，并通过转矩、转速分析了电机启动、运行等特性，以此分析了伺服电机的整体特性。通过实验证明该系统能够准确地测量电机参数，并能对数据进行分析以及通过对电机的分析验证试验系统的可靠性。
关键词：伺服电机 扭矩传感器 测量分析仪 转矩转速特性
【分类号】：TG333.2
引言
在数控行业中，永磁同步伺服电机作为伺服进给系统常用的执行元件，在其众多参数中转矩、转速和输出功率是影响伺服系统的机械特性、过载能力和动态响应等特性的主要因素。因此伺服电机在一定转速范围内有较好的转矩转速特性可以提高伺服系统性能[1]。另外，可以以转矩转速参数对电机设备制定一个标准，这个标准即符合设计需求，又符合电机品质性能[1]。通过对几种不同的伺服电机转矩转速性能比较可以为企业对电机选型提供依据。对永磁同步伺服电机的转矩转速性能参数的分析是其研究、制造的基础，即任何一种新型号的永磁同步电动机的研发、制造都需要经过性能测试来验证其性能[2]。由此研发高性能的电机测试系统就显得十分迫切了 。
1 系统总体描述
通过对测试系统的功能分析可以把整个测量系统看成由三个部分组成：数据分析与命令控制模块、数据测量模块、数据采集模块[3]。该系统的测量过程如下：首先设置电机运动参数并由上位控制器给驱动器发出速度位置指令控制电机稳定运行，电机运行后，将电机的转矩转速信号经扭矩传感器转换成模拟信号，然后把信号传给多通道信号测量仪，经滤波、放大等处理，同时将测量数据传送给控制器由专用的分析软件对数据进行分析、处理和显示，这时可对测量数据进行保存以便以后分析，根据转矩转速运行特性曲线可分析电机的各项性能。该测试系统能够实现快速、高准确度、综合参数测试和参数自动测量并且比一般的测试装置更突出。另外由于该控制器具有较强的数据处理功能，可以实现以数据文件、曲线和数字等各种形式的输出。
2硬件系统模块设计
永磁同步伺服电机性能参数测试系统结构简单，该系统包括运动控制器、数据采集模块、信号测试仪、负载装置、电源模块[4]。其结构图如图1所示。
该测试系统的硬件平台各模块功能为：
主机测试模块：该上位机测试模块的功能是发送电机运动控制命令以及对采集的数据用专用测试软件进行分析和显示，并绘制实时转矩转速特性曲线、存储实时数据、察看历史数据等。主要由运动控制器和专用软件来完成。
信号采集模块：该模块主要完成现场电机的转矩转速信号的采集，该过程由高精密MCRT 48002V扭矩传感器完成。在组装试验台时，确保传感器、被测电机和负载三者的轴在同一水平上。
信号处理模块：该模块主要完成对采集信号的处理以及实时显示数据，该过程由高精度723系列多通道信号测量仪完成。该测试仪器有三个通道：ch1，ch2分别为转矩、转速信号通道，ch3为功率信号通道。各通道信号的好坏取决于对各通道参数的设置。
测试负载是一个工作试验台，选用滚珠丝杠拖动该工作试验台，使该试验台在平行导轨上运动，以滚珠丝杠和试验台为整体模拟电机在机床上的负载，实现电机的在线调试。被测试电机选用交流伺服电机及其伺服控制器，额定功率750W，额定转速为3000RPM的高性能伺服电机。采用高质量的联轴器连接被测电机、传感器和负载。
3 软件功能设计
该系统测试平台的软件包括控制命令发送与数据接收、处理程序和电机参数测试程序，在电机运行前，要对电机的控制参数与控制器参数初始设置，打开伺服等待上位机程序发送的控制命令，当伺服控制器接收到控制器的控制命令时，使程序执行电机运行控制命令，启动电机并使其稳定运行，系统自动采集电机参数。当数据采集完成电机停止后，采集的数据会存储在串口缓冲区中，在上位机中读缓冲区内数据，再经绘图与数据处理，以判断伺服电机的转矩转速的性能，从而分析出伺服电机的整体性能[5]。
综上软件流程，可以看出伺服电机性能参数测试系统软件的主要功能有：数据采集与信号处理功能：完成电机的运动状态与位置的检测；命令发送与控制功能：主要是对电机参数设置以及发送控制命令；数据保存与绘制功能：能将实验数据保存下来，以备绘制特性曲线，也可以日后再调用分析；数据分析功能：保存好的数据能够导出以进行频域分析从而判断电机性能的好坏。
4 实验结果与数据分析
对于应用于数控机床行业的伺服电机一般都是作为进给电机，大多数数控机床对这种伺服电机的性能要求为电机的机械特性硬、速降小和刚度大，电机在整个调速范围内平滑运动；对某些机床还要求动态响应快，调速范围要大以使数控机床适用于各种不同的刀具和加工工艺并且电机的输出转矩转速要稳定波动小；具有一定的过载能力且适应频繁启动和正反转。
在该测试中，实测多种不同型号的永磁同步交流伺服电机的转矩转速运行曲线，并实现多种电机在1～10r/min等低转速以及100r/min、600r/min下进行了转速转矩信号的采集与分析，电机额定功率都是750W，额定转速为3000rpm的高性能伺服电机。通过对多种电机的性能比较能验证测试系统的测试精度也能方便企业对电机选型。根据企业需求，现对一种电机在1r/min和600r/min下进行了转速转矩信号的分析，以判断电机的性能优劣，主要包括转矩转速的波动、启动时间以及稳定性等方面的分析。其中1LB-IN=0.113 。
注明：1-转矩；2-功率；3-转速
注明：1-转矩；2-功率；3-转速
图2电机1在1r/min时的运行曲线 图3 电机1在600r/min时的运行曲線
由图2曲线可知：电机在低速时转速稳定、波动小，而转矩上下波动但不大，最大值为0.9LB-IN，最小值为0.4LB-IN。电机在此转速下输出功率很小，但有波动。由曲线可知电机启动时间为0.9s，转速上升时间短暂，动态响应快，制动时电机输出一个反向转矩使电机立刻停机。低速时电机的输出转矩受外界波动影响，在低速时转速稳定性较好，能满足电机在低速时的要求。
图3是电机以600r/min运行的曲线，电机的转矩转速性能都较低速时的好。电机转速平稳精确，启动时间为0.6s，转速启动非常快。在电机启动时转矩出现了一个较小的超调，之后运行时转矩波动很小，能够输出稳定转矩。输出功率稳定，稳定运行时转速平稳精度高。通过以上分析该电机可以应用在数控机床上。
结语
通过实验可知该测试系统测量精度高、可靠性好。电机参数数据分析准确可靠，能全面反映电机的运行特性，为企业生产提供了很好的指导。适合于各类高性能的电机控制系统的调试及试验。另外，本系统不仅用于电机测试，还可用于测量旋转机械旋转轴的转矩和转速，并在实践得于应用。本套测试系统成本较高，应用不普遍，不能调节负載，一般用在高精密，中小型容量电机测试试验中。
参考文献
[1]姜文喜，何桂仙. 系列交流伺服电机反电势测试系统的设计和实现[J].微电机，2012.3
[2]张佳，窦丽华. 伺服电机测试实验平台设计与实现[J].实验技术与管理，2011.6
[3]王伟.车用永磁同步电机的参数匹配、协调控制与性能评价研究[D]吉林大学.博士论文，2010.12
[4]袁凯南，袁杰.电机测试技术的研发与应用[J].黑龙江科技信息.2013
[5] 雷塞尔曼. 实用Visual C++ 6. 0 教程[M].何健辉，董方鹏，冯毅，译.北京：清华大学出版社， 2000.
关键词：伺服电机 扭矩传感器 测量分析仪 转矩转速特性
【分类号】：TG333.2
引言
在数控行业中，永磁同步伺服电机作为伺服进给系统常用的执行元件，在其众多参数中转矩、转速和输出功率是影响伺服系统的机械特性、过载能力和动态响应等特性的主要因素。因此伺服电机在一定转速范围内有较好的转矩转速特性可以提高伺服系统性能[1]。另外，可以以转矩转速参数对电机设备制定一个标准，这个标准即符合设计需求，又符合电机品质性能[1]。通过对几种不同的伺服电机转矩转速性能比较可以为企业对电机选型提供依据。对永磁同步伺服电机的转矩转速性能参数的分析是其研究、制造的基础，即任何一种新型号的永磁同步电动机的研发、制造都需要经过性能测试来验证其性能[2]。由此研发高性能的电机测试系统就显得十分迫切了 。
1 系统总体描述
通过对测试系统的功能分析可以把整个测量系统看成由三个部分组成：数据分析与命令控制模块、数据测量模块、数据采集模块[3]。该系统的测量过程如下：首先设置电机运动参数并由上位控制器给驱动器发出速度位置指令控制电机稳定运行，电机运行后，将电机的转矩转速信号经扭矩传感器转换成模拟信号，然后把信号传给多通道信号测量仪，经滤波、放大等处理，同时将测量数据传送给控制器由专用的分析软件对数据进行分析、处理和显示，这时可对测量数据进行保存以便以后分析，根据转矩转速运行特性曲线可分析电机的各项性能。该测试系统能够实现快速、高准确度、综合参数测试和参数自动测量并且比一般的测试装置更突出。另外由于该控制器具有较强的数据处理功能，可以实现以数据文件、曲线和数字等各种形式的输出。
2硬件系统模块设计
永磁同步伺服电机性能参数测试系统结构简单，该系统包括运动控制器、数据采集模块、信号测试仪、负载装置、电源模块[4]。其结构图如图1所示。
该测试系统的硬件平台各模块功能为：
主机测试模块：该上位机测试模块的功能是发送电机运动控制命令以及对采集的数据用专用测试软件进行分析和显示，并绘制实时转矩转速特性曲线、存储实时数据、察看历史数据等。主要由运动控制器和专用软件来完成。
信号采集模块：该模块主要完成现场电机的转矩转速信号的采集，该过程由高精密MCRT 48002V扭矩传感器完成。在组装试验台时，确保传感器、被测电机和负载三者的轴在同一水平上。
信号处理模块：该模块主要完成对采集信号的处理以及实时显示数据，该过程由高精度723系列多通道信号测量仪完成。该测试仪器有三个通道：ch1，ch2分别为转矩、转速信号通道，ch3为功率信号通道。各通道信号的好坏取决于对各通道参数的设置。
测试负载是一个工作试验台，选用滚珠丝杠拖动该工作试验台，使该试验台在平行导轨上运动，以滚珠丝杠和试验台为整体模拟电机在机床上的负载，实现电机的在线调试。被测试电机选用交流伺服电机及其伺服控制器，额定功率750W，额定转速为3000RPM的高性能伺服电机。采用高质量的联轴器连接被测电机、传感器和负载。
3 软件功能设计
该系统测试平台的软件包括控制命令发送与数据接收、处理程序和电机参数测试程序，在电机运行前，要对电机的控制参数与控制器参数初始设置，打开伺服等待上位机程序发送的控制命令，当伺服控制器接收到控制器的控制命令时，使程序执行电机运行控制命令，启动电机并使其稳定运行，系统自动采集电机参数。当数据采集完成电机停止后，采集的数据会存储在串口缓冲区中，在上位机中读缓冲区内数据，再经绘图与数据处理，以判断伺服电机的转矩转速的性能，从而分析出伺服电机的整体性能[5]。
综上软件流程，可以看出伺服电机性能参数测试系统软件的主要功能有：数据采集与信号处理功能：完成电机的运动状态与位置的检测；命令发送与控制功能：主要是对电机参数设置以及发送控制命令；数据保存与绘制功能：能将实验数据保存下来，以备绘制特性曲线，也可以日后再调用分析；数据分析功能：保存好的数据能够导出以进行频域分析从而判断电机性能的好坏。
4 实验结果与数据分析
对于应用于数控机床行业的伺服电机一般都是作为进给电机，大多数数控机床对这种伺服电机的性能要求为电机的机械特性硬、速降小和刚度大，电机在整个调速范围内平滑运动；对某些机床还要求动态响应快，调速范围要大以使数控机床适用于各种不同的刀具和加工工艺并且电机的输出转矩转速要稳定波动小；具有一定的过载能力且适应频繁启动和正反转。
在该测试中，实测多种不同型号的永磁同步交流伺服电机的转矩转速运行曲线，并实现多种电机在1～10r/min等低转速以及100r/min、600r/min下进行了转速转矩信号的采集与分析，电机额定功率都是750W，额定转速为3000rpm的高性能伺服电机。通过对多种电机的性能比较能验证测试系统的测试精度也能方便企业对电机选型。根据企业需求，现对一种电机在1r/min和600r/min下进行了转速转矩信号的分析，以判断电机的性能优劣，主要包括转矩转速的波动、启动时间以及稳定性等方面的分析。其中1LB-IN=0.113 。
注明：1-转矩；2-功率；3-转速
注明：1-转矩；2-功率；3-转速
图2电机1在1r/min时的运行曲线 图3 电机1在600r/min时的运行曲線
由图2曲线可知：电机在低速时转速稳定、波动小，而转矩上下波动但不大，最大值为0.9LB-IN，最小值为0.4LB-IN。电机在此转速下输出功率很小，但有波动。由曲线可知电机启动时间为0.9s，转速上升时间短暂，动态响应快，制动时电机输出一个反向转矩使电机立刻停机。低速时电机的输出转矩受外界波动影响，在低速时转速稳定性较好，能满足电机在低速时的要求。
图3是电机以600r/min运行的曲线，电机的转矩转速性能都较低速时的好。电机转速平稳精确，启动时间为0.6s，转速启动非常快。在电机启动时转矩出现了一个较小的超调，之后运行时转矩波动很小，能够输出稳定转矩。输出功率稳定，稳定运行时转速平稳精度高。通过以上分析该电机可以应用在数控机床上。
结语
通过实验可知该测试系统测量精度高、可靠性好。电机参数数据分析准确可靠，能全面反映电机的运行特性，为企业生产提供了很好的指导。适合于各类高性能的电机控制系统的调试及试验。另外，本系统不仅用于电机测试，还可用于测量旋转机械旋转轴的转矩和转速，并在实践得于应用。本套测试系统成本较高，应用不普遍，不能调节负載，一般用在高精密，中小型容量电机测试试验中。
参考文献
[1]姜文喜，何桂仙. 系列交流伺服电机反电势测试系统的设计和实现[J].微电机，2012.3
[2]张佳，窦丽华. 伺服电机测试实验平台设计与实现[J].实验技术与管理，2011.6
[3]王伟.车用永磁同步电机的参数匹配、协调控制与性能评价研究[D]吉林大学.博士论文，2010.12
[4]袁凯南，袁杰.电机测试技术的研发与应用[J].黑龙江科技信息.2013
[5] 雷塞尔曼. 实用Visual C++ 6. 0 教程[M].何健辉，董方鹏，冯毅，译.北京：清华大学出版社， 2000.