摘 要：采用交流測功機設(shè)計的一種新型伺服系統(tǒng)特性分析與檢測平臺，實現(xiàn)了伺服電機與伺服驅(qū)動器的集成檢測。獨創(chuàng)的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略和可編程交流測功機控制器的運用，實現(xiàn)了DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的完美結(jié)合，極大的提高了測控系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)響應(yīng)特性，為實驗室和生產(chǎn)線應(yīng)用的提供了一套技術(shù)先進、功能齊全、操作簡單、使用方便的智能儀器。在測試精度、測試速度、測試方法和操作使用等方面都大大優(yōu)于傳統(tǒng)的電機測試平臺，并有廣泛的通用性、靈活性和實用性。
0 引 言：好功夫是練出來的，好產(chǎn)品是驗出來的
      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、飛機、坦克、火炮、艦船等國防軍事裝備以及數(shù)控機床、機器人和生產(chǎn)線等工業(yè)自動化領(lǐng)域。按照電機來分類，主要有直流伺服系統(tǒng)，交流伺服系統(tǒng)和步進伺服系統(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)模的不斷擴大，各個行業(yè)對伺服系統(tǒng)的需求日益增大，并對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)國家競相努力的目標，對國家的現(xiàn)代化工業(yè)建設(shè)和國防建設(shè)都有著十分重要的意義。
      在大力開展新的伺服產(chǎn)品研制和改進生產(chǎn)工藝的同時，加強伺服系統(tǒng)測試技術(shù)的研究和檢測平臺的建設(shè)尤為重要。俗話說，好功夫是練出來的，好產(chǎn)品是驗出來的。只有在先進的檢測平臺上對伺服系統(tǒng)進行集成評測，以獨立、客觀、科學(xué)、實用的測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，才能把握產(chǎn)品的真實資料，確保我們的伺服產(chǎn)品達到設(shè)計的要求，為伺服系統(tǒng)的設(shè)計改進提出合理的建議。
本文介紹重慶高標科技有限公司專門為交流伺服系統(tǒng)量身定制的特性分析與檢測平臺的設(shè)計與應(yīng)用。該平臺采用了先進的交流測功機技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、計算機虛擬儀器以及高標公司獨創(chuàng)的轉(zhuǎn)矩控制策略，實現(xiàn)了交流測功機直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）與轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的完美結(jié)合，極大的提高了測控系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)響應(yīng)特性，為交流伺服系統(tǒng)的特性分析和參數(shù)測試提供了先進的檢測手段和測控方案。
      本系統(tǒng)首次使用了高標公司最新研制的 D8001 型高速可編程交流測功機控制器，為檢測平臺的測量與控制提供了一套性能優(yōu)良、功能齊全、操作簡單、使用方便的智能儀器，并具有廣泛的通用性、靈活性和實用性。因此，本系統(tǒng)也適用于其它伺服系統(tǒng)、特種電機以及汽車／摩托車／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。
1 伺服分析不是測電機
1.1 伺服系統(tǒng)的主要特性
      交流伺服的性能和技術(shù)指標可以從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動態(tài)響應(yīng)和運行穩(wěn)定性等幾個方面來衡量，其最大的特點是：“穩(wěn)、準、快”，即穩(wěn)定性好、精確度高和響應(yīng)速度快。
（1） 調(diào)速范圍大，且?guī)缀踉谡麄€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，高性能的可以達到1：100,000 以上。
（2） 定位精度高，低速轉(zhuǎn)矩脈動小。伺服系統(tǒng)的定位精度一般都要達到 ±1 個脈沖，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，一般的誤差在 ±0.1rpm 以內(nèi)，高性能的可以達到 ±0.01rpm 以內(nèi)。
（3） 動態(tài)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)動慣量小。衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的指標是系統(tǒng)的最高響應(yīng)頻率，即給定最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 90° 或者幅值不小于50%。進口三菱伺服電機 MR-J3 系列的響應(yīng)頻率高達 900Hz，國內(nèi)主流產(chǎn)品的響應(yīng)頻率一般在 200～500Hz。
（4） 運行穩(wěn)定性方面主要是指系統(tǒng)在電壓波動、負載波動、電機參數(shù)變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾、以及其它特殊運行條件下，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行并保證一定的性能指標的能力。
（5） 功率密度大，體積小。常用的功率范圍小于 15kW，電機規(guī)格從 60 到 190。
1.2 傳統(tǒng)的測試方法和存在的問題
      伺服系統(tǒng)是數(shù)控設(shè)備之運動控制的最終執(zhí)行機構(gòu)，其工作性能的優(yōu)劣對數(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)與負載有密切的關(guān)系。因此，只有在帶有負載情況下進行在線調(diào)試，才能保證伺服系統(tǒng)的各項靜態(tài)和動態(tài)性能，使其工作于最佳狀態(tài)。
      目前伺服系統(tǒng)的生產(chǎn)單位和系統(tǒng)集成廠家均缺少對伺服系統(tǒng)進行帶載動態(tài)性能分析和在線調(diào)試的試驗設(shè)備和檢測手段，普遍根據(jù)個人的經(jīng)驗進行調(diào)試，模擬加載平臺主要是數(shù)控機床或傳統(tǒng)的電機測試設(shè)備。這種調(diào)試方法盲目性大，調(diào)試周期長，很難保證伺服系統(tǒng)的各個參數(shù)整定到最佳狀態(tài)。
      在數(shù)控機床上進行模擬加載試驗是不得已的辦法，而傳統(tǒng)的電機測試設(shè)備主要是用于電機的參數(shù)測試和產(chǎn)品檢驗，設(shè)備的功能設(shè)計、技術(shù)參數(shù)以及測試軟件都是根據(jù)電機的技術(shù)規(guī)范而不是電機與控制系統(tǒng)的集成檢測而設(shè)計的。簡單的穩(wěn)態(tài)試驗，固定的加載模式以及有限數(shù)量的采集數(shù)據(jù)，對全面分析伺服系統(tǒng)的特性是遠遠不夠的。
1.3 什么是伺服分析？
      測試是分析的基礎(chǔ)，分析又是調(diào)試的基礎(chǔ)。想要實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的準確調(diào)試，必須進行伺服系統(tǒng)的特性分析。而要進行全面的伺服特性分析，首先要對伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)以及瞬態(tài)性能進行全面的測試。因此，伺服特性分析以及調(diào)試技術(shù)的研究，就是尋找對伺服系統(tǒng)進行動態(tài)性能測試和分析的方法以及實現(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)特性分析的簡稱，是伺服電機與伺服控制器性能參數(shù)的集成測試。伺服分析是在專用的伺服分析與檢測平臺上，通過對伺服電機和控制器進行各種加載試驗，包括靜態(tài)試驗、動態(tài)試驗、瞬態(tài)試驗、周期循環(huán)試驗以及堵轉(zhuǎn)、反拖等極限試驗。在試驗過程中，具有高速數(shù)據(jù)采集能力的計算機實時監(jiān)測伺服電機的機械特性，包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率和效率等。根據(jù)實時記錄的數(shù)據(jù)表和波形圖來詳細的分析伺服系統(tǒng)的特性，特別是控制器參數(shù)對伺服系統(tǒng)特性的影響，為控制器的參數(shù)調(diào)整和設(shè)計改進提供依據(jù)。
表 1 是伺服分析與電機測試的基本內(nèi)容和試驗方法的對比。從表中我們可以看出，無論是試驗項目、測試參數(shù)、數(shù)據(jù)采集以及測試軟件，兩者都有很大的差異。此外，對于航空、航天和兵器裝備中的伺服系統(tǒng)應(yīng)用，還需要專門設(shè)計一些特殊的試驗項目，以滿足其特殊的需求。
表1：伺服分析與電機測試對比
主要內(nèi)容 伺服分析 電機測試
設(shè)備用途 產(chǎn)品研發(fā) 產(chǎn)品檢驗
應(yīng)用場合 實驗室和研發(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
試驗方法 特定的加載試驗 執(zhí)行國家標準和產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范
試驗結(jié)果 實時波形圖和數(shù)據(jù)表 電機測試報告

1.4 主要測試項目
      伺服系統(tǒng)的特性分析包括系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩個方面。在測試與分析方面，系統(tǒng)靜態(tài)特性的測試和分析相對來說比較容易，而動態(tài)特性的測試和分析則要困難得多。在調(diào)試技術(shù)方面，離線調(diào)試比較容易實現(xiàn)，而帶負載的在線調(diào)試則困難得多。交流伺服系統(tǒng)測試與分析的主要內(nèi)容有以下各項。
（1） 時域階躍響應(yīng)測試
任意輸入基速、階躍量及運行時間的組合，測試階躍響應(yīng)特性，從而得到在不同負載條件下的超調(diào)量、上升時間 、振蕩次數(shù)等指標。
（2） 頻域特性測試
輸入基速及正弦波的幅值，經(jīng)測量后可給出頻域特性曲線，從而得到標稱角頻率、頻帶寬度和諧振峰值等重要指標。
（3） 加載速降測試
通過在不同轉(zhuǎn)速下的加載測試，可測得空載轉(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） 其它測試功能
除了以上測試功能外，還可以對伺服系統(tǒng)的零漂、伺服增益、正反轉(zhuǎn)速差進行測試。測試過程自動完成，測試結(jié)果打印輸出。
1.5 總體要求
      目前，許多測功機、傳感器和電機測試設(shè)備的生產(chǎn)廠家都聲稱自己的設(shè)備可以做伺服分析。從試驗方法和測控設(shè)備來看，伺服分析和電機測試都是對電機進行加載試驗，測控設(shè)備也大同小異，包括測功機，扭矩傳感器，測功機控制器和電機測試軟件等。
但是，伺服分析對測控設(shè)備的總體要求與電機測試有很大的差異，其中加載裝置的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩控制精度是其關(guān)鍵技術(shù)和難點，包括快速性、準確性、穩(wěn)定性和可靠性等。
（1） 快速性
快速性反映了加載電機的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)特性，其技術(shù)指標是加載轉(zhuǎn)矩從零到100% 額定轉(zhuǎn)矩的階躍上升時間。對伺服分析系統(tǒng)來說，要求動態(tài)響應(yīng)時間越短越好。
在提供各種類型測試臺應(yīng)用的交流傳動方面，ABB 變頻器享有極高的聲譽。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)，動態(tài)響應(yīng)時間小于 5 毫秒（最新資料公布的數(shù)據(jù)為 1.6 毫秒）。就目前所有的測功機技術(shù)而言，DTC 是無與倫比的。
因此，我們認為只有 DTC 交流測功機才能滿足伺服分析系統(tǒng)所需要的快速性。
（2） 準確性
做伺服分析，只有快速性是不夠的。還必須精確的控制加載電機的轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)準確的加載。
加載電機的準確性和轉(zhuǎn)矩控制精度與測量范圍有關(guān)。常用伺服系統(tǒng)的功率一般在 15kW 以下，電機的額定轉(zhuǎn)矩從 2.2 Nm 到 50 Nm 不等，屬于小功率特種電機。如果要從最小的 2.2 Nm 開始到 50 Nm 系列的伺服電機進行加載試驗，加載轉(zhuǎn)矩控制的準確性必須達到 0.1Nm。按照 50Nm 為滿量程計算，轉(zhuǎn)矩控制精度就必須達到 0.2%。
如何實現(xiàn)交流測功機精確的轉(zhuǎn)矩控制，一直是大家所研究的重要課題，也是一個很大的難題。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，這對用戶是不負責(zé)任的。
重慶高標科技有限公司在 ABB 傳動部的大量支持與幫助下，經(jīng)過長期深入的研究與試驗，獨創(chuàng)了一種新的轉(zhuǎn)矩控制策略，解決了交流測功機的轉(zhuǎn)矩控制之難題，轉(zhuǎn)矩控制精度達到了 0.1%。從目前我們掌握的資料和信息來看，高標公司的技術(shù)是最先進的。
（3） 穩(wěn)定性
傳統(tǒng)的磁粉制動器和磁滯測功機是中小型電機測試的主要加載裝置。這兩種測功機都屬于能量吸收型測功機，自身吸收的能量需要通過風(fēng)冷或水冷排出去，長時間加載運行將會由于內(nèi)部溫度升高而造成加載轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，從而影響加載試驗的重復(fù)性。此外，轉(zhuǎn)矩控制特性也不好。
交流測功機是一種電力測功器，加載電機吸收的能量可以通過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發(fā)熱量很小，工作狀態(tài)非常穩(wěn)定，并且具有高效節(jié)能、高可靠性和免維護之特點。
（4） 可靠性
作為伺服分析系統(tǒng)，就如同醫(yī)院里的 CT 機和心電儀一樣，測量與控制必須非常的可靠，這樣才能提供準確的數(shù)據(jù)來進行伺服分析。伺服分析系統(tǒng)的可靠性來自多方面的性能和質(zhì)量保障，包括加載裝置的可靠性，測量信號的可靠性，數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換的可靠性以及機電傳動機構(gòu)的可靠性等。因此，需要從系統(tǒng)的各個方面來分析和確定系統(tǒng)的各項性能和參數(shù)，最終確保系統(tǒng)的可靠性。
1.6 主要功能和技術(shù)指標
      CMTS 1550 客制電機測試系統(tǒng)是重慶高標公司為伺服分析而設(shè)計的一個定制設(shè)備，能夠進行 15 kW 以下伺服電機和伺服驅(qū)動器的集成檢測和特性分析。應(yīng)用場合以產(chǎn)品研發(fā)中心和實驗室為主，也可用于產(chǎn)品生產(chǎn)線。
CMTS 1550 的總體性能達到了當(dāng)前電機測試的最高水平，其技術(shù)指標可以作為伺服分析系統(tǒng)的典型數(shù)據(jù)。我們自己認為，如果缺少這些功能和達不到這些技術(shù)指標，就不能算是伺服分析，而只能還是在測電機。
 被測電機規(guī)格：  60、80、90、110、130、150、190。
 模擬加載裝置：  交流測功機，額定功率15 kW，額定矩扭50 Nm。
 轉(zhuǎn)矩控制模式：  直接轉(zhuǎn)矩控制（無扭矩傳感器）／轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制（帶扭矩傳感器）。
 轉(zhuǎn)速控制模式：  轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制（帶轉(zhuǎn)速脈沖編碼器）。
 轉(zhuǎn)矩測量/反饋： 德國ETH扭矩傳感器，測量范圍0…50Nm，精度0.5%（滿量程），
轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)時間（10% 到 90% 轉(zhuǎn)矩階躍上升時間）小于 2 ms。
 轉(zhuǎn)速測量/反饋： 增量式脈沖編碼器，每轉(zhuǎn)8,000個脈沖，轉(zhuǎn)速分辨率0.01 rpm。
 轉(zhuǎn)矩動態(tài)特性：  轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)時間（0到100%額定轉(zhuǎn)矩階躍加載時間）小于5 ms。
 速度調(diào)節(jié)范圍：  主傳動軸 0 rpm…6,000 rpm／副傳動軸 0 rpm…12,000 rpm。
 轉(zhuǎn)矩控制精度：  3%（開環(huán)）／0.1%（閉環(huán)）。
 轉(zhuǎn)速控制精度：  0.1%（開環(huán)）／0.01%（閉環(huán)）。
2 平臺設(shè)計和主要設(shè)備
2.1 測控系統(tǒng)設(shè)計要點
      如何選用先進而可靠的測控設(shè)備來搭建一個測控系統(tǒng)，為用戶提供一套性能優(yōu)良，功能齊全，操作簡單，使用方便的測控儀器，是我們研發(fā)伺服分析系統(tǒng)的設(shè)計要點和努力方向。
      為了避免使用傳統(tǒng)的工業(yè)計算機、數(shù)據(jù)采集卡、單片機等來搭建測控系統(tǒng)的設(shè)計思路，提高測控設(shè)備的通用性、靈活性、可靠性和降低成本。我們學(xué)習(xí)和參考國外公司的先進設(shè)計理念，以我們自己研發(fā)的 D8001 型可編程交流測功機控制器為核心，對電機加載、數(shù)據(jù)采集、計算機通訊和測試軟件等進行了多方面的創(chuàng)新和改進。我們所使用的技術(shù)全部具有當(dāng)今世界電機測控的最高水平，包括最新的工業(yè)標準技術(shù)、實驗室技術(shù)和自有知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)。
伺服分析測控系統(tǒng)控制框圖如圖所示，全部測控設(shè)備實現(xiàn)了模塊化、柔性化和智能化。主要測控設(shè)備有：
 加載電機（三相交流異步電動機），額定功率 15 kW。
 ABB 公司 ACS800 系列變頻器，能耗吸收型。
 D8001 高速可編程交流測功機控制器，高標公司新產(chǎn)品。
 德國 ETH 公司扭矩傳感器，量程 50 Nm，測量誤差小于 0.5%。
 CMTS 8.0 電機測試軟件，用于計算機數(shù)據(jù)采集和分析處理。

圖1：伺服分析測控系統(tǒng)控制框圖

2.2 試驗臺架
      交流伺服電機在外型和結(jié)構(gòu)上的特點是體積小，品種規(guī)格多，15kW以下交流伺服電機的規(guī)格就有60、80、90、110、130、150和190共七種。這就要求測試平臺必須兼容所有電機的安裝和定位，并且對軸連接的同心度、位置偏差、臺架振動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內(nèi)外測試臺架，針對實驗室應(yīng)用的特點，設(shè)計了一款適應(yīng)多種電機安裝的組件式的試驗臺架。其特點是：布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊，工藝先進，使用方便。
變頻器和能耗電阻安裝在臺架內(nèi)部，測試臺安裝的典型部件有：
 高強度重載荷鋁型材測試臺架。
 帶T型槽平板及加載電機安裝底座。
 帶升降和鎖緊機構(gòu)的被測電機安裝平臺。
 帶刻度和鎖緊的 X-Y 兩坐標移動平臺。
 同步升速傳動機構(gòu)（高速試驗用）。
 高精度扭矩傳感器，主副軸各一只。
 電機快速安裝和定位夾具。
 現(xiàn)場控制器接線和配電箱。  

                 

圖2：試驗臺架實物

圖3：試驗臺架結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 扭矩傳感器
      加載電機與被測伺服電機之間是扭矩傳感器，傳感器兩端使用彈性聯(lián)軸器相互連接。加載電機的主軸為主傳動，軸上有一個同步皮帶傳動機構(gòu)，可以在副傳動軸上提升 2 到 4 倍的轉(zhuǎn)速，用于伺服系統(tǒng)的高速性能試驗。
 扭矩傳感器選配德國 ETH 公司 DRBK 50 型高精度傳感器，測量范圍 50 Nm，測量誤差小于 0.5%，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)時間小于 2 毫秒。  

                  

圖4：機械傳動和扭矩傳感器

      扭矩傳感器的測量信號是伺服分析的主要數(shù)據(jù)，同時也是交流測功機轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的反饋信號。需要特別強調(diào)的是，扭矩傳感器的動態(tài)響應(yīng)時間對實現(xiàn)交流測功機的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制并保證其高精度非常必要，這一點往往被大家所忽視。

2.4 測功機控制器
伺服分析需要對伺服電機進行各種加載試驗，主要運行模式有定轉(zhuǎn)矩加載和定轉(zhuǎn)速加載，以及如堵轉(zhuǎn)、反拖和帶載啟動等極限工況。加載試驗可以由計算機進行控制，即通過測試軟件來實現(xiàn)。但在實際使用中，我們需要簡單方便的使用方法，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。      

 

 圖5：D8001 交流測功機控器

為此，重慶高標公司參考國外的設(shè)計理念，專門為交流測功機配套研制了一款多功能的智能儀器，即 D8001 型可編程交流測功機控制器，從而使得加載試驗非常的簡單和方便。
（1） D8001 簡介
D8001 型可編程交流測功機控制器采用最新的數(shù)字信號處理技術(shù)和可編程控制器，具有卓越的交流測功機之控制功能。D8001 設(shè)計用來與 ABB 變頻器、三相異步加載電機、轉(zhuǎn)速-扭矩傳感器以及計算機和其它測控設(shè)備配套使用。加載運行可以手動操作，也可通過以太網(wǎng)由計算機進行自動控制。由于采用了 ABB 先進的 DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)和高標公司獨創(chuàng)的轉(zhuǎn)矩控制策略，動態(tài)響應(yīng)快，控制精度高，可重復(fù)性好，抗干擾性強，更是實驗室和生產(chǎn)線的理想之選。詳細資料可從高標公司網(wǎng)站下載。
（2） 主要特性
 高速數(shù)據(jù)讀?。和ㄟ^以太網(wǎng)每秒鐘可獲取 120 個扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)（RS-232 約為 60 個）。
 加載模式：定轉(zhuǎn)速加載，定轉(zhuǎn)矩加載，帶載啟動，動態(tài)堵轉(zhuǎn)，加載／反拖轉(zhuǎn)換。
 轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩開環(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）。
 扭矩傳感器：模擬信號直接輸入，無需采集卡，數(shù)據(jù)采集精度 24 位。
 通訊接口：以太網(wǎng)（Ethernet），通訊速率 100 MHz。
 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、實際值以及運行狀態(tài)。
 快速性能參數(shù)和曲線測試：從空載到堵轉(zhuǎn)的性能和參數(shù)測試運行時間只需要 3 到 5 秒。
 外形結(jié)構(gòu)：19 吋 2U 標準機箱，可獨立放置在操作臺上，也可安裝到 19 吋機柜中。
3 關(guān)鍵技術(shù)和解決方案
3.1 交流測功機不是變頻器 + 電動機
從電氣傳動的角度來看，交流測功機是交流傳動，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，長期以來，人們只是把測功機當(dāng)作是原動機的負載模擬和能量吸收裝置，因而也就習(xí)慣性的把交流測功機看作是“變頻器 + 電動機”。這就如同把雷達看作是簡單的無線電接受與發(fā)射裝置一樣，是非常片面的。
從測功機的角度來看，交流測功機是一種新型的電力測功器，它使用交流異步電動機做加載設(shè)備，加載電機由變頻器提供驅(qū)動電源，并精確的控制其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。與傳統(tǒng)的水力測功機、電渦流測功機等測功器相比較，交流測功機具有無與倫比的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)、優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制特性，以及高效節(jié)能和高可靠性。此外，交流測功機是一種電動加載，同時具有測功機（制動）和電動機（驅(qū)動）兩種工作模式，可以實現(xiàn)多種傳統(tǒng)測功器無法完成的測控方案，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、寶克等世界著名的動力試驗設(shè)備制造廠家，都積極推廣和應(yīng)用基于交流測功機的動力試驗系統(tǒng)，并認為是這是目前和未來最好的測控方案。
3.2 什么是 DTC？
DTC 是直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control）的英文縮寫，它是繼矢量變換控制技術(shù)之后，在20世紀80年代中期發(fā)展起來的一種新型的交流異步電機變頻調(diào)速技術(shù)。
DTC 是交流傳動領(lǐng)域電機控制方式的一次革命，它從零轉(zhuǎn)速開始不使用電機軸上的脈沖編碼器和扭矩傳感器就可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的精確控制，并具有無與倫比的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)和優(yōu)異的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩控制特性。
DTC 對交流測功機來說是一個最優(yōu)的方案，它可以對加載電機的核心參量—轉(zhuǎn)矩進行直接控制。從而開發(fā)出交流測功機前所未有的能力，并給所有測功機應(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，實現(xiàn)交流異步電機的無級調(diào)速。因此，變頻器的轉(zhuǎn)速控制特性非常好，轉(zhuǎn)速的開環(huán)控制精度可以達到千分之一秒（0.1%），而閉環(huán)控制精度則可以達到萬分之一秒（0.01%）。
在絕大多數(shù)應(yīng)用場合，變頻器沒有轉(zhuǎn)矩控制的要求，當(dāng)然也就沒有準確控制轉(zhuǎn)矩的功能。但是作為交流測功應(yīng)用的變頻器，必須準確的控制加載電機的轉(zhuǎn)矩，因此需要采取另外的控制策略來實現(xiàn)變頻器對轉(zhuǎn)矩的精確控制。這是交流測功機應(yīng)用之變頻器必須解決的問題，也是交流測功機的關(guān)鍵技術(shù)和難點。
為了實現(xiàn)變頻器對轉(zhuǎn)矩的準確控制，人們很自然都會想到 PID 閉環(huán)控制策略。即加裝扭矩傳感器，把傳感器的測量的信號做反饋，通過 PID 調(diào)節(jié)器來控制變頻器的內(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)自動化的各個領(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，可以由計算機、PLC 或?qū)Ｓ玫?PID 模塊來實現(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)的實際效果也只有誰用誰知道。
我們把這種在變頻器之外，獨立完成的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略簡稱為“體外循環(huán)”，以區(qū)別于高標公司獨創(chuàng)的直接在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)的“體內(nèi)循環(huán)”。
根據(jù)我們的研究和試驗，采用“體外循環(huán)”的方案不能實現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)矩的動態(tài)特性也將大大降低。同時存在 PID 參數(shù)難以整定，容易產(chǎn)生啟動過沖和震蕩等。其原因是 DTC 變頻器的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)太快了，傳統(tǒng)的 PID 控制策略根本無法快速而準確的控制加載電機的轉(zhuǎn)矩。詳細的技術(shù)分析可參閱李茂森寫的《交流測功機轉(zhuǎn)矩閉環(huán)策略之研究》。
為了實現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，重慶高標公司在 ABB 傳動部的大力支持與幫助下，經(jīng)過深入的研究和反復(fù)的試驗，結(jié)合 DTC 變頻器的特性，采用了一種新的控制策略，實現(xiàn)了 DTC 高動態(tài)響應(yīng)與高精度轉(zhuǎn)矩控制的完美結(jié)合。
高標公司轉(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)”。
 高標公司轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略的主要特點有：
（1） 使用 ABB 變頻器專用的可編程功能模塊來實現(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 運算器等。它們自己能夠很好的與 ABB 變頻器的參數(shù)進行匹配，不存在參數(shù)換算、比例修正和時間延遲等協(xié)調(diào)問題。
（2） 使用 ABB 變頻器自身的模擬信號輸入口來直接采集扭矩傳感器的模擬信號，避免數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換過程中的誤差和延時。數(shù)據(jù)采集精度 24 位，內(nèi)部運算精度 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，可靠性極高。
需要特別指出的是，采用“體內(nèi)循環(huán)”策略來做轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，對扭矩傳感器有很高的要求，特別是扭矩傳感器的動態(tài)響應(yīng)時間必須小于 DTC 變頻器的動態(tài)響應(yīng)時間（小于 5 毫秒）。我們試驗的結(jié)果是達到了千分之一（0.1%）的轉(zhuǎn)矩控制精度，就我們目前所知，屬于世界最高水平。
4 試驗與分析
4.1 操作與控制
有了 D8001 交流測功機控制器，我們就可以輕輕松松的做加載試驗了。D8001 是一款功能齊全的智能儀器，在其前面板上，設(shè)計有各種功能按鈕和旋鈕。加載電機的運行模式和轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩設(shè)定可以手動操作，也可通過以太網(wǎng)由計算機進行自動控制。由于采用了 ABB 先進的 DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)和高標公司獨創(chuàng)的轉(zhuǎn)矩控制策略，動態(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單和方便。

圖6：D8001 交流測功機控制器前面板

（1） 功能按鈕
 故障復(fù)位（RESET）：當(dāng)顯示變頻器或控制器出現(xiàn)故障時，按鍵復(fù)位。
 電機轉(zhuǎn)向（FOR／REV）：電機正轉(zhuǎn)（FOR），或電機反轉(zhuǎn)（REV）。
 控制模式（DTC／PID）：轉(zhuǎn)矩開環(huán)控制（DTC），或轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制（PID）。
 加載模式（SPD／TOR）：定轉(zhuǎn)速控制（SPD），或定轉(zhuǎn)矩控制（TQE）。
 功能鍵（F1 和 F2）：預(yù)先定制的加載功能，如動態(tài)堵轉(zhuǎn)、帶載啟動等。
 加減按鈕（UP-DOWN）：手動單步加減設(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)定使用同一個旋鈕，它能夠根據(jù)運行模式自動選擇轉(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)定準確，手感極好。
（3） 啟動和停止
轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩設(shè)定旋鈕帶有啟動／停止運行功能，按一次旋鈕啟動，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、實際值和功率的計算值。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。

4.2 試驗?zāi)Ｊ?/strong>
D8001 一個非常重要的特點是可編程，因而可以進行適應(yīng)各種應(yīng)用。常用的幾種運行模式已經(jīng)設(shè)計在其中，無論是手動操作還是計算機控制，都十分的靈活方便。
特殊的運行模式可以單獨定制（功能鍵 F1 或 F2），如動態(tài)堵轉(zhuǎn)，帶載啟動或產(chǎn)品的合格與不合格檢驗。更為復(fù)雜的加載方法和運行模式可以通過計算機測試軟件來實現(xiàn)。
在運行過程中可以通過測試軟件自動記錄想要的參數(shù)，以便繪制曲線進行特性分析。
（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）
在空載或加載過程中瞬間將測功機轉(zhuǎn)換為電動機，拖動原動機旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)換過程瞬間完成，不停機。
（3） 動態(tài)堵轉(zhuǎn)（零轉(zhuǎn)速控制）
快速將空載旋轉(zhuǎn)的原動機強制到零速堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，無需機械制動器。從空轉(zhuǎn)到堵轉(zhuǎn)的加載時間約 1 到 3 秒鐘。堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的運行時間不受限制，加載電機不發(fā)熱。
（4） 帶載啟動（恒轉(zhuǎn)矩控制）
預(yù)先設(shè)定一個負載轉(zhuǎn)矩，啟動過程中負載轉(zhuǎn)矩始終保持恒定不變。
（5） 產(chǎn)品檢驗（定參數(shù)控制）
按照預(yù)定的檢驗參數(shù)和運行模式，運行中自動檢測，給出產(chǎn)品合格或不合格判斷。
（6） 自動加載（計算機控制）
通過計算機按照編寫的測試程序自動加載，單點、多點、階躍、斜線、曲線均可。
4.3 分析實例
以下是對兩個交流伺服系統(tǒng)進行兩種不同加載試驗的伺服分析實例。從測試曲線中我們可以非常直觀的觀察到在啟動、加載、卸載的瞬間和動態(tài)區(qū)域內(nèi)，伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化過程。因此，只有通過伺服分析，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，這一系列的問題都迎刃而解。
實例1：帶載啟動
德國KEB交流伺服系統(tǒng)，電機額定轉(zhuǎn)矩3.2 Nm，額定轉(zhuǎn)速 3,000 rpm。
圖7是的該伺服系統(tǒng)啟動特性測試曲線，試驗轉(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分析伺服系統(tǒng)的特性。對此伺服系統(tǒng)，我們的分析如下：
 電機從零轉(zhuǎn)速到500 rpm的啟動時間為1.5 秒。轉(zhuǎn)速上升非常平滑，無過沖。
 電機輸出轉(zhuǎn)矩的上升也非常迅速和平滑，時間約1秒鐘。
 請?zhí)貏e注意，當(dāng)轉(zhuǎn)速快接近設(shè)定值 500 rpm 時，轉(zhuǎn)矩上升出現(xiàn)了拐點（3.5 Nm與3秒點）。我們認為這是為了保證轉(zhuǎn)速上升的穩(wěn)定性和準確性，而采取的特別控制策略。由此可見，KEB伺服控制器的控制策略有獨到之處，這一點值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。

圖8：德國KEB 某3.2 Nm交流伺服系統(tǒng)的啟動特性曲線

實例2：組合加載
某軍品伺服系統(tǒng)，電機額定功率1.05 kW，額定轉(zhuǎn)矩 5 Nm，額定轉(zhuǎn)速 2,000 rpm。
對該伺服系統(tǒng)進行階躍組合加載試驗，測試曲線如圖8所示，轉(zhuǎn)速設(shè)置 800 rpm。
對該套伺服系統(tǒng)，我們的分析如下：
 轉(zhuǎn)速上升迅速，啟動平穩(wěn)。但在加載和卸載瞬間轉(zhuǎn)速波動較大。
 轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應(yīng)和平穩(wěn)性很好。
 驅(qū)動器均正常工作，呈現(xiàn)出良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。

圖9：某軍品 1.05 kW 伺服系統(tǒng)組合加載特性曲線

5 結(jié)  語
根據(jù)伺服系統(tǒng)的特點，提出了伺服分析重要性和必要性。專門為伺服系統(tǒng)量身定制了伺服分析與檢測平臺，并對測控系統(tǒng)進行了創(chuàng)新性的設(shè)計與應(yīng)用，包括交流測功機、測功機控制器和扭矩傳感器，實現(xiàn)了伺服電機與伺服驅(qū)動器的集成檢測。
到目前為止，由重慶高標公司設(shè)計和制造的檢測平臺已交付兵器部五八所等多家單位。使用結(jié)果表明，該檢測平臺符合產(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。

【作者簡介】
李茂森，重慶高標科技有限公司，總工程師，E-mail：amir-li@stp-dyno.com
李思遠，重慶高標科技有限公司，軟件工程師，E-mail：moxosyuri@gmail.com
楊凱等，西南自動化研究所，研究生，工程師，E-mail：waryk@163.com