永磁交流伺服电动机转矩波动测试装置*

时晓霞　杨月花

(广州数控设备有限公司 ，广东 广州 510530)



永磁交流伺服电动机转矩波动测试装置*

时晓霞杨月花

(广州数控设备有限公司 ，广东 广州 510530)

在永磁交流同步电动机的某些应用场合，如数控机床、加工中心及航天航空工程等，要求电动机能够在低速时输出较大的转矩且能平稳运行，电动机的低速平稳性直接影响因素是转矩波动。导致转矩波动的因素较多，既和电动机本体设计、电动机结构和加工工艺有关，也与运行方式有关，甚至还有驱动控制器方面的因素。因此在研发测试过程中该参数有测试的必要性。根据在广州数控设备有限公司的实际应用，对所构建的这种永磁伺服电动机转矩波动测试装置进行了详细论述。通过实际应用，验证了该套装置的测试数据与理论设计值基本一致，系统地阐述了所述测试装置的实用性与可行性。

转矩波动; 伺服电动机; HBM;ABB

电动机作为机电能量转换的机械,其指标体系包括稳态性能指标、动态性能指标和控制性能指标。由于电动机在结构上存在齿槽及电枢等因素，所以在运行中存在转矩波动的现象。 转矩波动是影响交流伺服电动机平稳运行的重要指标，对其进行精确测量、计算、分析，直接关系到电动机整体性能水平不断改进和提高，所以有必要对其深入研究。永磁交流伺服电动机的转矩波动直接影响系统的控制精度，是最为关注的伺服性能指标之一。也是永磁交流伺服电动机设计和控制过程中非常重要的研究对象，其大小直接影响机械加工件的加工精度。

1　转矩波动数据模型

1.1转矩波动分析

转矩波动是各类伺服控制系统中最关注的伺服性能指标之一，它是指伺服电动机在某一时刻(某一转速下)输出转矩未达到预期给定而出现的转矩偏差。当偏差值的大小超出所规定的范围时，电动机的伺服控制性能和控制精度将受到不同程度的影响。

电磁因素引起的转矩波动主要分以下两类：

(1)齿槽转矩:由于电动机定子的齿槽与转子的永磁体相互作用产生的转矩，这个转矩随空间位置作周期性变化，它表现为总是试图将转子定位在某些位置，这个转矩与定子电流无关。

(2)纹波转矩:由电流和反电动势波形偏差引起的谐波转矩。

永磁交流伺服电动机对外呈现的转矩波动是齿槽转矩和纹波转矩共同引起的。

1.2实验仪器设备

(1)采用HBM传感器，型号为T40B。基本参数：量程为100 N·m；线性精度为±0.03%；采样速率为19.2 kHz。

(2)加载电动机：ZJY182-5.5CF-B35，电动机性能参数如下：S1工作制下的电动机额定功率为5.5 kW；额定电流为19 A；额定转矩为26 N·m；额定频率为70Hz；额定转速/最高转速为2 000/12 000 r/min；额定电压为240 V。

(3)被测电动机适配驱动器：GS3050(广数自主研发)。

(4)加载电动机所配驱动器：ACSM1-04AS-040A-4。

(5)直流稳压电源，型号：APS3005S-3D。

2　转矩波动测试平台的搭建

转矩测试平台是一套对拖测试平台，通过ABB变频器采用直接转矩控制方式，陪测电动机施加需要设定的负载，被测电动机则通过匹配驱动器速度模式控制，施加相应的转速；以便满足转矩波动测试标准的要求。

2.1转矩波动构建模型

根据在工作中实际的应用，构建如图1所示的转矩波动整体架构图，选用国内外最精密的控制器和传感器。实现了转矩波动测试的高精度和准确性。

在应用中搭建的转矩波动测试平台实物如图2。

2.2转矩波动实验操作方法

2.2.1ABB变频器

ABB高性能机械类传动为高要求的机械设备提供了高性能的速度控制、转矩控制和运动控制。ACSM1可以控制有反馈或无反馈的感应电动机、同步伺服电动机与异步伺服电动机。它采用DTC (直接转矩控制)电动机控制技术来确保性能的优越。

加载电动机由ABB变频器进行控制，加载机组的力矩响应时间<5 ms，转矩控制精度<±2%FS。采用直接转矩控制(DTC)方式运行，通过编码器进行反馈。

在测试过程中，打开Drive Studio ABB 控制器软件，进入Drive操作界面。首先打开参数浏览器，进入启动数据界面，根据电动机标签上数据对电动机的各性能参数进行设置。打开速度反馈界面，对编码器参数进行设置，设置控制方式为直接转矩控制(DTC)。上述参数全部完成设置后，启动ABB控制器，电动机则可以正常运行。可以很据比例数值对电动机施加一定的负载。

2.2.2HBM传感器

拥有高精度的检测仪器对于电动机测试数据的可靠性尤为重要,直接关系到检测结果的真实性。HBM传感器用于工业场合和高精度测量，它由转子部分和定子部分组成， 转子部分连接在电动机和负载中间，用于测试电动机转矩和转速；定子部分与转子部分不接触，用于接收传感器转子部分发出的信号，然后传给放大器， 放大器可以对采集到的数据进行处理，比如滤波，或者把所有的数据取绝对值等。高精度速度测量系统，即使在非常低的转速下，测试数据也相当的准确、可靠。T40B传感器的外形见图4和图5。

2.3实验数据分析

2.3.1测试方法与步骤

国标《JBT 10274-2001 数控机床交流伺服电动机 通用技术条件》中规定转矩波动率测试方法：

表1　电动机测试数据

由电动机和伺服单元组成伺服装置，并稳定运行在10%最高转速值这一点，对电动机施加连续工作区中规定的该转速下允许的最大转矩，用扭矩仪或者类似设备连续测量并记录电动机输出转矩，找出最大转矩Tmax和最小转矩Tmin(即瞬态值)，转矩波动率T如公式(1)：

(1)

2.3.2测试结果与分析

本文以130SJTG-M050GH电动机(本公司自主研发电动机)作为应用实例。

样机的基本参数设置为额定功率：2.1 kW，极对数为4极；驱动单元输入电压为AC380三相；额定电流为6 A；额定转矩为5 N·m，额定转速为4 000 r/min；最高转速为6 000 r/min。实验测试波形如图6，电动机的测试数据见表1。

在实际应用中，广数自主研发的交流伺服电动机型号80、110、130、150、175系列电动机20多款都在这套测试平台上进行了测试验证。这些电动机包括机器人使用电动机、高精高速机床电动机等。实测的转矩波动率数值与理论设计值基本保持一致。通过测试结果分析，被测电动机受所匹配的驱动器影响很大，如果驱动器匹配不合理，导致被测电动机电流值过大，测试数值不准确。在测试过程中，需要选择合理的驱动器及其调试匹配参数。

3　结语

实验中采用HBM的传感器和采集系统进行测定，它可以实时精确地测试电动机的转矩和转速，将信号传给PC机，采集电动机实时转矩、转速相对应时间的曲线，从而方便快捷地计算出电动机的转矩和转速波动率。通过构建永磁交流伺服电动机的转矩脉动测试平台，能够更好的验证电动机的性能参数，反应了电动机运行的平稳情况。

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[2]《JBT 10274-2001 数控机床交流伺服电动机 通用技术条件》[S].中国机械工业联合会.

[3]黄越,唐任远,韩雪岩. 基于Ansoft 的永磁交流伺服电动机转矩波动分析,[J].电气技术，2008,4:15-18.

[4]强雄,严蓓兰,钱奇文.HBM扭矩传感器在电动机测试中的应用,[J]. 上海电器科学研究所(集团)有限公司.

[5]闫晶芬,陈丽香,唐任远.削弱永磁伺服电动机转矩波动的措施研究[J].电气技术,2008(4):10-13.

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(编辑汪艺)

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Torque ripple test device of permanent magnet AC servo motor

SHI Xiaoxia, YANG Yuehua

(GSK CNC Equipment Co., Ltd., Gunagzhou 510530, CHN)

In some applications of permanent magnet synchronous AC motor, such as NC machine tools, machining center and aerospace engineering, etc., require motor can output large torque at low speed and can run smoothly, the stability of the motor directly influence factor is the torque ripple. Factors leading to torque ripple are more, both related to ontology and motor design, motor structure and processing technology, also related to the operation mode, and even drive controller factors. So in the R & D and testing process, this parameter is necessary to be tested. According to the practical application of GSK CNC Equipment Co., Ltd. in Guangzhou, this paper describes the building permanent magnet servo motor torque fluctuation test device in detail. Verified by practical application, this set of device test data and the theoretical design value, systematically expounds the practicability and feasibility of the test device described in this article.

torque ripple; AC servo motor; HBM ; ABB

TH351

A

时晓霞，女，1982年生，工程师，研究方向为机床使用电动机性能测试工作。

2015-05-05)

160136

*高档数控机床与基础制造装备:高档数控机床、数控系统及功能部件关键技术标准与测试平台研究(2012ZX04010-021)