伺服驱动器测试方法步进伺服

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1、伺服驱动器测试方法 -步进伺服一台伺服驱动器的优劣主要体现在牢靠性、功能、性能三个方面，功 能往往与针对市场的行业背景相关，本文只针对伺服驱动器牢靠性、 基本性能两个方面探讨几种简洁的测试方法。1概述：国产伺服产 品技术攻关大多数还停留在牢靠性层面，只有牢靠的产品才能被市场 认可，才能真正带给它的用户以价值。国产伺服牢靠性不足集中体现 在电源不稳定、器件降额不够，这些不行靠因素主要表现在关键器件 的电应力和热应力的牢靠性，其次还有电磁扰动对电路功性能的影响 本文以一个案例的方式争辩电源和器件应力。 伺服系统最基本的性 能是力矩、转速、位置的精确性以及响应速度。但凡争辩伺服性能， 我们必需站在系

2、统层面来争辩，把电机性能包括在其中。本文在探讨 性能测试方面，给出了力矩响应、速度响应、定位精度和重复定位精 度的测试方法。2电源与器件牢靠性测试方法2.1帮助电源短路爱护 测试 帮助电源不仅给把握芯片、驱动芯片、接口电路、风机供电， 而且伺服驱动器给外部供应24V电源。所以开关电源短路爱护功能尤 为重要，我们分别取最低电源电压(DC200V)、正常电源电压(DC311V)、 最高电源电压(DC400V)三个点，测试帮助电源的爱护功能。测试时， 帮助电源输入通过调整直流调压器给定，将母线电源电压分别调整到 DC200V、DC311V、DC400V，然后依此分别将输出短路，本文以5V， 24V两

3、路输出的一个实际产品为例争辩。测试方法就是将其中一路短 路，测量另外一路输出。l5V短路，量测24V输出，如表2-1所示： 表2-1 5V短路测试条件项目400Vdc要求(V)最大最小24V电压(V) 19.55.00-26l24V短路，量测5V输出，如表2-2所示：表4-2 24V 短路测试条件项目400Vdc要求(V)最大最小5V电压(V)500-5.25试 验结果表明，在5V，24V短路时，芯片都进入打嗝状态，即满足输出 短路爱护试验要求。2.2 帮助电源 Topswitch 电压应力试验 Topswitch器件VDS电压指集成PWM把握器内部IGBT漏极和源极之 间的的电压，VDS超标

4、是其损坏的主要缘由之一，VDS直接影响伺服 驱动器的牢靠性和寿命，测试方法是通过调压器调整帮助电源输入电 压，测量VDS电压。输入电压越高，VDS电压越高，即在母线规格最 大值(DC400V)时，VDS电压最高，测量这个最大值是否超标，可推 断Topswitch电压应力是否合格。还有一种状况，帮助电源输出短 路时，VDS会特殊高，需要推断短路时Topsweitch电压应力是否合 格。l未短路时测试数据如下表2-3所示，实拍波形如图2-1所示： 表2-3 VDS电压测试条件项目311Vdc400Vdc规格要求(V)空载满载空 载满载VDS450460540563700图2-1输出未短路时VDS电

5、压波形 当 将5V短路时，在DC400V的输入下VDS电压为650V小于700，满足 规格要求。5V短路，VDS输出波形如图2-2：图2-2输出短路时VDS电压波形2.3帮助电源启动测试 帮助源启动 时间对伺服产品牢靠性来说很重要，特殊是对功率器件与功率器件驱 动上电时序的影响很重要，在功率器件必需保证在其驱动器件上电好 以后才能上电，只有这样才能保证在上电或断电过程中功率器件不会 有误动作，避开直臂导通等严峻的短路故障。 在本例中，输入沟通 220VAC时，测试得到5V输出启动延时为180ms，小于IPM上电启动 时间，可以保证IPM驱动芯片先工作，IPM内部IGBT后工作，可以 防止上电短

6、路等故障。延时波形如图2-3所示：1正弦信号为50Hz 输入波形l直线型信号为帮助源5V输出信号图2-3 帮助电源启动波形2.4帮助电源纹波及噪声测试（1）输出电 压测试：分别在不同母线，满载状况下，测试各路电压值如表2-4所 示：（单位：V）表2-4帮助源输出电压测试母线电压（V） 24V输出 5V 输出 20023.4V5.02V31123.5V5.02V40023.3V5.02V 规格要求 22 25V4.75-5.25V测试结果：合格。（2）输出电压纹波测试：分别在不 同母线电压状况下测试满载电压状况下纹波如表2-5所示（单位：mV） 表2-5帮助源输出电压纹波测试母线+24V+5V2

7、0V-UDC 200V433652DC 311V564554DC 400V545058 规格要求W5% （1.2V）W5% （0.25V）W 5% （1V）测试结果：合格。2.5母线整流电路测试（1）整流延迟和 整流电路启动对电网的冲击都是很关键的问题，本设计整流电路启动 波形如图2-4所示，启动延时时间为125ms,满足要求。图2-4整流 电路时延测试（2）图2-4可以反映储能电容充电时间，从平安等角 度来讲，放电时间也是很关键的。本设计电容放电波形如图2-5所示， 电容放电时间为7s,满足要求。图2-5储能电容空载放电时延测试 2.6 IPM开通关断延时测试IPM内部IGBT的开通与关断波

8、形直接影 响到IPM工作的牢靠性，假如开通和关断时间太长，必定有两种状况 发生，一是上下开关管直臂导通造成短路故障，二是IGBT的开通和 关断损耗导致IPM发热严峻，长期工作不仅会对伺服驱动器以外的产 品造成影响，而且直接影响IPM寿命。如图2-6所示，上面信号为 驱动信号，IGBT开通信号延时500ns，满足要求。图2-6逆变IGBT开通时延测试如图2-7所示，上面信号为驱动信 号，IGBT关断信号延时500ns，满足要求。图2-7逆变IGBT关断时延测试2.7热应力测试作为一个产品，使 用者最关怀的是产品的牢靠性，牢靠性不仅仅包括了产品各个器件的 电应力，也包括了热应力，争辩每个发热元件的

9、温升显得尤为重要。 测试条件：整个伺服驱动器放在恒温箱环境中。l环境温度为22.5C。 l 满载满转速条件下测试。 温升就是被测元件温度与环境温度的差 值，本产品定义最高的工作环境温度为45C，本试验是在环境温度 22.5C下测试。由热学基本学问可以知道，在环境温度为45C时的 元件温度就是45C加常温下的温升。测试证明，本设计中整机下半 部分模块发热不会对上半部分空间器件发热产生影响，开关电源部分 的器件发热量空载与满载差别不大。各个关键元件温度与最大温升如 下表2-6所示，最高温升26.8度，完全满足设计要求。（单位为摄氏 度）表 2-6 关键元件温升测试数据环境温度 22.522.422

10、.622.522.8 温 升 测 试 点 10min20min30min40min50min 784046.746.64950.150.426.4 整流桥 40.63839.540.640.816.8IPM 散 热 器 边 缘 3536.938.238.639.615.6 散 热 器 边 缘 34.236.137.63838.914.9DSP2823241.443.545.446.346.822.8 变压 器 包 线 3538.842.244.245.521.5 热 敏 电 阻 3435.437.338.539.315.3TOP255 正面 36.839.341.642.743.519.5 变

11、 压器骨架 33.638.242.144.245.921.93 性能测试方法 3.1 力矩响应 测试 测试方法：把被测目标电机和电机轴固定装置（径向可旋转， 也可以固定，类似于机床常用的分度头）稳固的固定在试验台上，并 且保证电机轴和固定装置中心同心，把电机轴用固定装置固定，如图 3-1所示。伺服使能，旋转固定装置，使U相电流最大，U相电流可 以反映力矩大小。在阶跃的力矩指令输入条件下，u相电流的建立时 间即可反映力矩响应时间。观测方法：用示波器观测，观看时间轴设 置为1ms，电流上升时间即为力矩响应时间。图3-1力矩响应测试平 台示意图试验步骤：1）力矩指令为30额定模拟量转矩，固定装置 不

12、固定，伺服ON,验证驱动器带电机在力矩环下能正常运行，确保 电机轴转了一圈以上。2）伺服OFF，分度头固定电机轴，电流钳夹 在驱动器输出的U相上，用示波器观测U相电流的大小，伺服ON, 旋转固定装置调整电机轴位置，同时观测示波器上显示U相电流的变 化，当U相电流最大的时候，停止旋转分度头，伺服OFF,锁住固定 装置。3）模拟量力矩指令调整到50%额定转矩，示波器设置为上升 沿触发，伺服ON或许1秒钟后伺服OFF，示波器上俘获到响应电流 波形和力矩波形，示波器不能有滤波，保存试验波形，并做好记录。 再重复做本试验 5 次，共保存 3 次相同条件下的电流响应波形。4） 模拟量力矩指令调整到 100

13、%额定转矩，重复步骤3。 本例中力矩环 响应时间小于4毫秒。3.2 速度响应测试 速度带宽测试方法：调整 伺服驱动器参数使电机空载响应性能最佳，将最大转速限制在 3000RPM，电流设定为电机额定电流。用函数信号发生器发一个频率 依据正弦规律变化的脉冲信号，渐渐加大输入信号正弦变化的频率， 当电机堵转时正弦变化的频率定义为伺服驱动器速度响应频率，速度 带宽测试平台结构示意图如图3-2所示。图3-2速度带宽测试平台示 意图 加速性能测试方法：接受阶跃响应的测试方法，本例中就是直 接给一个2500转的转速，用示波器观看电机里电流波形。如图3-3 所示，本例中整个加速到稳定的时间小于30ms。图3-

14、3转速阶跃响 应图3.3定位精度与重复定位精度测试伺服驱动器把握沟通永磁同 步伺服电机最终定位点和目标值的静态误差称为定位精度。重复定位 精度是在相同转速和加减速条件下电机旋转肯定角度，连续得到结果 的偏差程度。 重复定位精度测试方法：自制脉冲发生器分别以三种 不同的频率发送脉冲给伺服驱动器。脉冲数为30000。把握伺服电机 正转10转，然后反转10转，观看定位位置与起始位置之间的误差以 及每次定位位置的差异，并记录三组数据。然后把握伺服电机正转 10转，然后反转20转，再记录三组数据。位置偏差检测：如图3-4 所示，将激光笔固定于电机轴上，每次运行停止时，记录测试墙面光 点的位置，记录其误差

15、。图3-4定位精度测试平台测试试验分如下两 步做：1）测试脉冲的发送频率定为500hz，发生周期为3s,即每隔 3s发送1500个脉冲，此时伺服驱动器的电子齿轮比为100/3；则正 转10转，然后反转10转停止（经过电子齿轮变速后电机每转1圈需 要，10000个脉冲，电机会每隔3秒转半圈），电机轴与墙面直接的 距离是3m，激光笔投射到墙面上的最大偏差为2mm，经过多次测试其 结果全都。利用三角函数关系可以算出偏差角度，再以360对应300 脉冲，计算结果是定位精度小于1个脉冲。即伺服电机定位精度为1 个脉冲，满足设计要求。2）测试脉冲的发送频率定为500hz，发生 周期为3s,即每隔3s发送1

16、500个脉冲，此时伺服驱动器的电子齿 轮比为100/3；则正转10转，然后反转20转停止，电机轴与墙面直 接的距离是3 m ，激光笔投射到墙面上的最大偏差也为2 mm ，经过多次 测试其结果全都。计算结果是定位精度小于1个脉冲。即伺服电机重 复定位精度为1个脉冲，满足设计要求。4总结回顾国内对伺服技 术的争辩已经很接近国外水平，但这些争辩成果多停留在理论层面， 没有产品化。国产伺服驱动器的进展由于起步晚，还停留在对牢靠性、 抗干扰性考量的层面，对性能的争辩才逐步成为国产伺服驱动器开发 厂家的课题。随着电子器件的进展、电子加工技术的进展，以及国产 伺服厂家的成长，信任牢靠性更高、性能更优良、功能更强大的伺服 驱动产品会消灭。