1. 引言
随着工业的不断发展,电机在各行各业领域中的应用越来越广泛,在响应国家高质量发展的大背景下,对电机产品更是提出了“由丝入微”的高性能和高质量指标。
以前,电机的质量检测主要由模拟设备及机械式测量仪器构成,检测流程比较分散,测试人员工作繁忙,数据统计工作复杂,且由于人工因素,数据测量存在误差。随着计算机技术的发展,各种数字式控制技术在工业中的应用越来越广泛。其中,肖东岳 [1] 等设计了基于MATLAB的步进电机自动化测试系统,通过MATLAB软件,一次对4台步进电机根据设定参数,使其按规定的方式运动,直到测试完成。吴丽花 [2] 设计了基于LabVIEW的电机自动化测试系统,实现了电机负载特性测试和转矩特性测试的自动化检测。袁凯南 [3] 等提出了电机测试技术的研发与应用,提供了PC电机测试技术、虚拟仪器的电机测试技术等。黄湘宁 [4] 提出了一种三相异步电机自动测试与控制系统,对电机的温升、负载等性能进行了测试。
上述研究均提供了一种电机自动化测试的方案,但是检测内容过于单一,更适合作为提升电机制造工艺及性能的研究阶段的单项分析测试。
本文提出一种伺服电机综合性能自动化测试平台,集成电气检测仪表、华中8型数控系统等部件于一体,旨在电机出厂前,对电机的综合性能(静态电气性能、动态运动特性)进行高效准确的评测,拦截不合格产品流入市场,提供了电机自动化测试的一站式综合解决方案。
2. 电机综合性能自动化测试平台设计方案
该测试平台由PC机单元、数控系统单元、伺服驱动单元、仪表单元、控制与通信单元、电机单元构成,框架结构如图1所示。其中,由运行在PC端的自动化测试软件控制电机的整体测试流程,仪表单元用于测试电机的静态电气性能指标,数控系统单元控制伺服驱动单元,带动电机单元进行运动,测试电机的动态运动特性指标,所有测试数据通过通信接口汇聚到PC端的自动化测试软件中进行分析评判。
为了提高测试效率,本平台预设了9个测试工位,单次可以对9台电机同步进行测试。控制流程如图2所示。
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Figure 1. Overall framework of motor automation test platform
图1. 电机自动化综合测试平台总体框架
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Figure 2. Process control sequence diagram of motor test
图2. 电机测试流程控制时序图
2.1. 电气性能指标测试
电机的电气性能指标由仪表单元控制单台电机顺序检测,包括耐压测试仪、接地电阻测试仪和直流电阻仪表。
耐压测试:利用电机动力线,对电机动力插座2脚与电机1脚(PE)做耐压测试。设置耐压测试仪参数,使得仪表在0.5 S内电压由0 V上升到1500 V,并持续4 S时间,而后0.5 S由1500 V降到0 V。在从发送开始测试到测试完成的5 S时间内,分别在1.5 S、2.5 S和3.5 S时刻读取耐压测试仪的漏电流值,将三次漏电流值取平均,并与标准进行比对,判断电机耐压测试是否合格。
接地电阻测试:利用电机动力线,对PE脚与电机外壳做接地电阻测试,测试软件发送开始测试,1 S后,每隔1 S读取一次检测电流和电阻值,连续读取三次,停止测试。将三次读取的电流及电阻值取平均,并与标准进行比对,判断电机接地电阻测试是否合格。
线电阻测试:利用电机动力线,切换相应绕组连接方式,测试Ruv、Rvw、Rwu的电阻值。开始测试1 S后,每隔0.5 S读取Ruv值,读三次。切换相应绕组,等待1 S后,每隔0.5 S读取Rvw值,读三次。再次切换绕组,等待1 S后,每隔0.5 S读取Rwu,读三次,停止测试。将每组数据取平均,并分别与标准进行比对,判断电机线电阻测试是否合格。
由于电机的电气性能指标是电机正常运行的基础保障,所以以上三项测试中,任何一项测试未通过,将不再进行后续动态运动特性的检测,直接判为不合格。
2.2. 动态特性指标检测
电机动态特性检测由数控系统控制多台电机同步检测,包括电机编码器数据写入及校核、电机调零、电机运行状态检测、电机零点校核、电机刹车器检测。
编码器数据写入及校核:电机组装完成后,电机编码器数据是空白的,需要将电机本体属性与编码器进行绑定,根据电机型号的不同写入相应编码器数据,写入成功后,重新读取编码器数据进行校验,确保编码器能够正常读写。
电机调零:读取电机型号对应的锁定电流值,使得驱动器单元达到锁定电流值,电流从U相进,V、W相出,V、W相电流各为U相电流的二分之一,等待1 S,随后,读取电机编码器位置数据,在1 S内,连续读取5次,记录5次位置值的最大差值,当最大差值小于标准偏差值时,取5次位置值的平均值,作为零点偏差值。此后,电机按照CCW方向以一定转速旋转一圈,读取此时编码器位置,检查此位置值与上述零点偏差值的差值是否满足标准偏差,满足则调零检测通过,否则视为不通过。
运行状态检测:控制电机以低速、中速、高速正反转运动,采集过程中的速度、电流数据,分析各速度段的速度电流数据的均值、有效值、方差等指标是否在合格标准内,小于标准值则检测通过,否则不通过。
零点校核:旨在检测电机在一系列高低速运转之后,零点位置有没有丢失,检测步骤同电机调零。
刹车器检测:用于带抱闸(刹车器)的电机的检测项,分为刹车器打开和关闭状态的检测。刹车器打开状态下,电机在位置模式控制下,以配置的速度和运行圈数正反转运行,检测正转电流和反转电流是否在允差范围内;刹车器关闭状态下,电机在转矩模式控制下,驱动器单元输出相应的方向和电流,形成转矩,检测转矩前后的位置偏差是否在合理标准内,范围内则测试通过,否则不通过。
电机的动态特性测试,采用9台电机同步测试方式,得益于华中8型数控系统的多轴多通道控制技术,本平台采用标准的单通道9轴控制模式,最高可扩展至8通道72轴同步控制,即一次可同时对72台电机进行测试,这将极大的提高测试的效率,相比于一些只能单台电机进行测试的平台,具有划时代的意义。
2.3. 硬件平台和软件平台设计
根据图1所示的总体框架图及测试仪器,设计了电机综合测试台电气柜,如图3所示。运行于工控机上的测试总控软件,如图4所示。
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Figure 3. Schematic diagram of electrical cabinet
图3. 电机综合测试台电气柜示意图
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Figure 4. Main control software for motor automatic test
图4. 电机自动化测试总控软件
3. 案例分析
某用户反馈一台问题电机,每次在断电重启后,第一次运行有异响,转速稳定后异响消失,周而复始。针对该问题,采集了该问题电机的运行速度曲线,如图5所示。
由图5的电机实际速度曲线可见,在2.1秒到2.3秒时间内,电机由速度0到3000 mm/min的过程中,存在速度抖动,在达到3000 mm/min的稳速后,抖动消失,因此可以判断,电机运行异响是由加速段的速度抖动造成,在速度稳定后,抖动消失,进而异响消失,与用户反馈现象一致。
选取一台正常电机和该异常电机做了对比实验,目的是找到一个可量化的指标来区分正常电机和异常电机,从而能够在自动化测试过程中,准确的筛选出问题电机。
实验采集了两台电机的指令速度、实际速度和负载电流3组数据,如图6和图7所示,重点关注电机的实际速度曲线。
对实际速度的加速段做时域特性分析,结果如下表1:
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. Motor qualified configuration table
表1. 速度时域特性指标对照表
根据表1统计数据,可以看出正常电机和异常电机的各项指标差距不大,不能通过一个或多个指标判断出异常电机,因此无法直接通过对采集的速度进行时域分析,进而筛选电机的好坏。
考虑到速度的抖动,是由于加速度的不平稳过度导致的,因此将正常电机和异常电机的实际速度做一阶微分处理,绘制加速度曲线,如图8和图9所示。
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Figure 8. Normal motor acceleration curve
图8. 正常电机加速度曲线
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Figure 9. Abnormal motor acceleration curve
图9. 异常电机加速度曲线
再次对加速段的加速度数据做时域特性分析,结果如下表2所示:
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. Motor qualified configuration table
表2. 加速度度时域特性指标对照表
通过表2,可以明显看出正常电机和异常电机在指标上的差距,因此选用加速段的加速度均方差指标作为评判标准,筛选出异常电机。
将该正常电机和异常电机接入综合性能自动化测试平台,进行电机运行状态单项测试验证,结果如图10所示。
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Figure 10. Motor running state test verification
图10. 电机运行状态测试验证
通过该测试平台,可以看出能够准确筛选出异常电机,证明了该测试平台的有效性及准确性。
4. 应用验证
选取了型号为130ST-M07220LMBB共计100台电机进行测试。判定标准由电机厂家提供,如表3所示。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 3. Motor qualified configuration table
表3. 电机合格配置表
在上位机总控软件中,导入上述电机型号的配置表,对该型号共计100台电机进行自动化测试,检测结果分项统计如下(见图11~16):
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Figure 11. Statistical curve of withstand voltage test
图11. 耐压测试统计曲线
![](//html.hanspub.org/file/4-2740358x18_hanspub.png?20230418094327428)
Figure 12. Statistical curve of grounding resistance test
图12. 接地电阻测试统计曲线
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Figure 13. Statistical curve of line resistance test
图13. 线电阻测试统计曲线
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Figure 15. Statistical curve of running state test
图15. 运行状态测试统计曲线
测试的统计数据显示,各项的检测结果均在电机配置表的合格范围内,能够对电机的电气性能及运动特性进行检测。
5. 结语
基于华中8型数控系统的伺服电机综合性能自动化测试平台,能够对电机的综合性能(静态电气性能、动态运动特性)进行高效准确的评测,拦截不合格产品流入市场,提供了电机自动化测试的一站式综合解决方案。
基金项目
2021年国家高质量发展专项:2021年高档数控系统及伺服电机(TC210H03A)。