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伺服系統(tǒng)特性分析與檢測平臺的設計與應用
更新時間：2010-12-06 點擊次數：3598次
伺服系統(tǒng)特性分析與檢測平臺的設計與應用
采用交流測功機設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動器的集成檢測。的轉矩閉環(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 直接轉矩控制與轉矩閉環(huán)控制的結合，極大的提高了測控系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)響應特性，為實驗室和生產線應用的提供了一套技術*、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。
引 言：好功夫是練出來的，好產品是驗出來的
伺服技術即高精度的跟蹤與定位技術，廣泛應用于雷達、飛機、坦克、火炮、艦船等國防軍事裝備以及數控機床、機器人和生產線等工業(yè)自動化領域。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產品，也是未來的發(fā)展方向。隨著伺服技術的不斷發(fā)展和現(xiàn)代化生產規(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)建設和國防建設都有著十分重要的意義。
在大力開展新的伺服產品研制和改進生產工藝的同時，加強伺服系統(tǒng)測試技術的研究和檢測平臺的建設尤為重要。俗話說，好功夫是練出來的，好產品是驗出來的。只有在*檢測平臺上對伺服系統(tǒng)進行集成評測，以獨立、客觀、科學、實用的測試數據為依據，才能把握產品的真實資料，確保我們的伺服產品達到設計的要求，為伺服系統(tǒng)的設計改進提出合理的建議。
伺服技術即高精度的跟蹤與定位技術，廣泛應用于雷達、飛機、坦克、火炮、艦船等國防軍事裝備以及數控機床、機器人和生產線等工業(yè)自動化領域。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產品，也是未來的發(fā)展方向。隨著伺服技術的不斷發(fā)展和現(xiàn)代化生產規(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)建設和國防建設都有著十分重要的意義。
在大力開展新的伺服產品研制和改進生產工藝的同時，加強伺服系統(tǒng)測試技術的研究和檢測平臺的建設尤為重要。俗話說，好功夫是練出來的，好產品是驗出來的。只有在*檢測平臺上對伺服系統(tǒng)進行集成評測，以獨立、客觀、科學、實用的測試數據為依據，才能把握產品的真實資料，確保我們的伺服產品達到設計的要求，為伺服系統(tǒng)的設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計與應用。該平臺采用了*交流測功機技術、數字信號處理技術、計算機虛擬儀器以及高標公司的轉矩控制策略，實現(xiàn)了交流測功機直接轉矩控制（DTC）與轉矩閉環(huán)控制的結合，極大的提高了測控系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)響應特性，為交流伺服系統(tǒng)的特性分析和參數測試提供了*檢測手段和測控方案。
本系統(tǒng)使用了高標公司研制的 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品的快速合格與不合格檢驗。
1.1 伺服系統(tǒng)的主要特性
交流伺服的性能和技術指標可以從調速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動態(tài)響應和運行穩(wěn)定性等幾個方面來衡量，其zui大的特點是：“穩(wěn)、準、快”，即穩(wěn)定性好、度高和響應速度快。
（1） 調速范圍大，且?guī)缀踉谡麄€轉速范圍內為恒轉矩輸出。低檔的伺服系統(tǒng)調速范圍在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，高性能的可以達到 ±0.01rpm 以內。
（3） 動態(tài)響應快，轉動慣量小。衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)響應的指標是系統(tǒng)的zui高響應頻率，即給定zui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 系列的響應頻率高達 900Hz，國內主流產品的響應頻率一般在 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)是數控設備之運動控制的zui終執(zhí)行機構，其工作性能的優(yōu)劣對數控設備的精度有直接的影響。而伺服系統(tǒng)的主要特性和參數與負載有密切的關系。因此，只有在帶有負載情況下進行在線調試，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*狀態(tài)。
目前伺服系統(tǒng)的生產單位和系統(tǒng)集成廠家均缺少對伺服系統(tǒng)進行帶載動態(tài)性能分析和在線調試的試驗設備和檢測手段，普遍根據個人的經驗進行調試，模擬加載平臺主要是數控機床或傳統(tǒng)的電機測試設備。這種調試方法盲目性大，調試周期長，很難保證伺服系統(tǒng)的各個參數整定到*狀態(tài)。
在數控機床上進行模擬加載試驗是不得已的辦法，而傳統(tǒng)的電機測試設備主要是用于電機的參數測試和產品檢驗，設備的功能設計、技術參數以及測試軟件都是根據電機的技術規(guī)范而不是電機與控制系統(tǒng)的集成檢測而設計的。簡單的穩(wěn)態(tài)試驗，固定的加載模式以及有限數量的采集數據，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，分析又是調試的基礎。想要實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的準確調試，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試技術的研究，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)在線調試伺服系統(tǒng)的技術。
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的集成測試。伺服分析是在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、反拖等極限試驗。在試驗過程中，具有高速數據采集能力的計算機實時監(jiān)測伺服電機的機械特性，包括轉速、轉矩、功率和效率等。根據實時記錄的數據表和波形圖來詳細的分析伺服系統(tǒng)的特性，特別是控制器參數對伺服系統(tǒng)特性的影響，為控制器的參數調整和設計改進提供依據。
表 1 是伺服分析與電機測試的基本內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、數據采集以及測試軟件，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)應用，還需要專門設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
主要內容 伺服分析 電機測試
設備用途 產品研發(fā) 產品檢驗
應用場合 實驗室和研發(fā)中心 生產線和質檢站
主要功能 伺服系統(tǒng)的集成特性分析 產品合格／不合格檢驗
試驗方法 特定的加載試驗 執(zhí)行國家標準和產品技術規(guī)范
試驗結果 實時波形圖和數據表 電機測試報告
本系統(tǒng)使用了高標公司研制的 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品的快速合格與不合格檢驗。
伺服系統(tǒng)特性分析與檢測平臺的設計與應用
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指標可以從調速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動態(tài)響應和運行穩(wěn)定性等幾個方面來衡量，其zui大的特點是：“穩(wěn)、準、快”，即穩(wěn)定性好、度高和響應速度快。
（1） 調速范圍大，且?guī)缀踉谡麄€轉速范圍內為恒轉矩輸出。低檔的伺服系統(tǒng)調速范圍在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，高性能的可以達到 ±0.01rpm 以內。
（3） 動態(tài)響應快，轉動慣量小。衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)響應的指標是系統(tǒng)的zui高響應頻率，即給定zui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 系列的響應頻率高達 900Hz，國內主流產品的響應頻率一般在 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)是數控設備之運動控制的zui終執(zhí)行機構，其工作性能的優(yōu)劣對數控設備的精度有直接的影響。而伺服系統(tǒng)的主要特性和參數與負載有密切的關系。因此，只有在帶有負載情況下進行在線調試，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*狀態(tài)。
目前伺服系統(tǒng)的生產單位和系統(tǒng)集成廠家均缺少對伺服系統(tǒng)進行帶載動態(tài)性能分析和在線調試的試驗設備和檢測手段，普遍根據個人的經驗進行調試，模擬加載平臺主要是數控機床或傳統(tǒng)的電機測試設備。這種調試方法盲目性大，調試周期長，很難保證伺服系統(tǒng)的各個參數整定到*狀態(tài)。
在數控機床上進行模擬加載試驗是不得已的辦法，而傳統(tǒng)的電機測試設備主要是用于電機的參數測試和產品檢驗，設備的功能設計、技術參數以及測試軟件都是根據電機的技術規(guī)范而不是電機與控制系統(tǒng)的集成檢測而設計的。簡單的穩(wěn)態(tài)試驗，固定的加載模式以及有限數量的采集數據，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，分析又是調試的基礎。想要實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的準確調試，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試技術的研究，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)在線調試伺服系統(tǒng)的技術。
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的集成測試。伺服分析是在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、反拖等極限試驗。在試驗過程中，具有高速數據采集能力的計算機實時監(jiān)測伺服電機的機械特性，包括轉速、轉矩、功率和效率等。根據實時記錄的數據表和波形圖來詳細的分析伺服系統(tǒng)的特性，特別是控制器參數對伺服系統(tǒng)特性的影響，為控制器的參數調整和設計改進提供依據。
表 1 是伺服分析與電機測試的基本內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、數據采集以及測試軟件，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)應用，還需要專門設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
主要內容 伺服分析 電機測試
設備用途 產品研發(fā) 產品檢驗
應用場合 實驗室和研發(fā)中心 生產線和質檢站
主要功能 伺服系統(tǒng)的集成特性分析 產品合格／不合格檢驗
試驗方法 特定的加載試驗 執(zhí)行國家標準和產品技術規(guī)范
試驗結果 實時波形圖和數據表 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。在調試技術方面，離線調試比較容易實現(xiàn)，而帶負載的在線調試則困難得多。交流伺服系統(tǒng)測試與分析的主要內容有以下各項。
（1） 時域階躍響應測試
任意輸入基速、階躍量及運行時間的組合，測試階躍響應特性，從而得到在不同負載條件下的超調量、上升時間 、振蕩次數等指標。
（2） 頻域特性測試
輸入基速及正弦波的幅值，經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
通過在不同轉速下的加載測試，可測得空載轉速 、加載轉速 Ⅳ 、加載轉矩，從而得到不同轉速和轉矩下的轉差率的大小。
（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、正反轉速差進行測試。測試過程自動完成，測試結果打印輸出。
1.5 總體要求
目前，許多測功機、傳感器和電機測試設備的生產廠家都聲稱自己的設備可以做伺服分析。從試驗方法和測控設備來看，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，其中加載裝置的轉矩動態(tài)響應和轉矩控制精度是其關鍵技術和難點，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矩動態(tài)響應特性，其技術指標是加載轉矩從零到100% 額定轉矩的階躍上升時間。對伺服分析系統(tǒng)來說，要求動態(tài)響應時間越短越好。
在提供各種類型測試臺應用的交流傳動方面，ABB 變頻器享有*的聲譽。由于采用了一種叫做 DTC 直接轉矩控制的變頻調速技術，動態(tài)響應時間小于 5 毫秒（資料公布的數據為 1.6 毫秒）。就目前所有的測功機技術而言，DTC 是的。
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。還必須的控制加載電機的轉矩，實現(xiàn)準確的加載。
加載電機的準確性和轉矩控制精度與測量范圍有關。常用伺服系統(tǒng)的功率一般在 15kW 以下，電機的額定轉矩從 2.2 Nm 到 50 Nm 不等，屬于小功率特種電機。如果要從zui小的 2.2 Nm 開始到 50 Nm 系列的伺服電機進行加載試驗，加載轉矩控制的準確性必須達到 0.1Nm。按照 50Nm 為滿量程計算，轉矩控制精度就必須達到 0.2%。
如何實現(xiàn)交流測功機的轉矩控制，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備的控制精度，這對用戶是不負責任的。
重慶高標科技有限公司在 ABB 傳動部的大量支持與幫助下，經過長期深入的研究與試驗，了一種新的轉矩控制策略，解決了交流測功機的轉矩控制之難題，轉矩控制精度達到了 0.1%。從目前我們掌握的資料和信息來看，高標公司的技術是的。
（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冷或水冷排出去，長時間加載運行將會由于內部溫度升高而造成加載轉矩不穩(wěn)定，從而影響加載試驗的重復性。此外，轉矩控制特性也不好。
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據來進行伺服分析。伺服分析系統(tǒng)的可靠性來自多方面的性能和質量保障，包括加載裝置的可靠性，測量信號的可靠性，數據采集和轉換的可靠性以及機電傳動機構的可靠性等。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，zui終確保系統(tǒng)的可靠性。
1.6 主要功能和技術指標
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計的一個定制設備，能夠進行 15 kW 以下伺服電機和伺服驅動器的集成檢測和特性分析。應用場合以產品研發(fā)中心和實驗室為主，也可用于產品生產線。
##61550; 被測電機規(guī)格： 60、80、90、110、130、150、190。
##61550; 模擬加載裝置： 交流測功機，額定功率15 kW，額定矩扭50 Nm。
##61550; 轉矩控制模式： 直接轉矩控制（無扭矩傳感器）／轉矩閉環(huán)控制（帶扭矩傳感器）。
##61550; 轉速控制模式： 轉速閉環(huán)控制（帶轉速脈沖編碼器）。
##61550; 轉矩測量/反饋： 德國ETH扭矩傳感器，測量范圍0…50Nm，精度0.5%（滿量程），
轉矩動態(tài)響應時間（10% 到 90% 轉矩階躍上升時間）小于 2 ms。
##61550; 轉速測量/反饋： 增量式脈沖編碼器，每轉8,000個脈沖，轉速分辨率0.01 rpm。
##61550; 轉矩動態(tài)特性： 轉矩動態(tài)響應時間（0到100%額定轉矩階躍加載時間）小于5 ms。
##61550; 速度調節(jié)范圍： 主傳動軸 0 rpm…6,000 rpm／副傳動軸 0 rpm…12,000 rpm。
##61550; 轉矩控制精度： 3%（開環(huán)）／0.1%（閉環(huán)）。
##61550; 轉速控制精度： 0.1%（開環(huán)）／0.01%（閉環(huán)）。
2 平臺設計和主要設備
2.1 測控系統(tǒng)設計要點
如何選用*而可靠的測控設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、數據采集卡、單片機等來搭建測控系統(tǒng)的設計思路，提高測控設備的通用性、靈活性、可靠性和降低成本。我們學習和參考國外公司的*設計理念，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、數據采集、計算機通訊和測試軟件等進行了多方面的創(chuàng)新和改進。我們所使用的技術全部具有當今世界電機測控的zui高水平，包括的工業(yè)標準技術、實驗室技術和自有知識產權技術。
伺服分析測控系統(tǒng)控制框圖如圖所示，全部測控設備實現(xiàn)了模塊化、柔性化和智能化。主要測控設備有：
##61550; 加載電機（三相交流異步電動機），額定功率 15 kW。
##61550; ABB 公司 ACS800 系列變頻器，能耗吸收型。
##61550; D8001 高速可編程交流測功機控制器，高標公司新產品。
##61550; 德國 ETH 公司扭矩傳感器，量程 50 Nm，測量誤差小于 0.5%。
##61550; CMTS 8.0 電機測試軟件，用于計算機數據采集和分析處理。
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。在調試技術方面，離線調試比較容易實現(xiàn)，而帶負載的在線調試則困難得多。交流伺服系統(tǒng)測試與分析的主要內容有以下各項。
（1） 時域階躍響應測試
任意輸入基速、階躍量及運行時間的組合，測試階躍響應特性，從而得到在不同負載條件下的超調量、上升時間 、振蕩次數等指標。
（2） 頻域特性測試
輸入基速及正弦波的幅值，經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
通過在不同轉速下的加載測試，可測得空載轉速 、加載轉速 Ⅳ 、加載轉矩，從而得到不同轉速和轉矩下的轉差率的大小。
（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、正反轉速差進行測試。測試過程自動完成，測試結果打印輸出。
1.5 總體要求
目前，許多測功機、傳感器和電機測試設備的生產廠家都聲稱自己的設備可以做伺服分析。從試驗方法和測控設備來看，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，其中加載裝置的轉矩動態(tài)響應和轉矩控制精度是其關鍵技術和難點，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矩動態(tài)響應特性，其技術指標是加載轉矩從零到100% 額定轉矩的階躍上升時間。對伺服分析系統(tǒng)來說，要求動態(tài)響應時間越短越好。
在提供各種類型測試臺應用的交流傳動方面，ABB 變頻器享有*的聲譽。由于采用了一種叫做 DTC 直接轉矩控制的變頻調速技術，動態(tài)響應時間小于 5 毫秒（資料公布的數據為 1.6 毫秒）。就目前所有的測功機技術而言，DTC 是的。
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。還必須的控制加載電機的轉矩，實現(xiàn)準確的加載。
加載電機的準確性和轉矩控制精度與測量范圍有關。常用伺服系統(tǒng)的功率一般在 15kW 以下，電機的額定轉矩從 2.2 Nm 到 50 Nm 不等，屬于小功率特種電機。如果要從zui小的 2.2 Nm 開始到 50 Nm 系列的伺服電機進行加載試驗，加載轉矩控制的準確性必須達到 0.1Nm。按照 50Nm 為滿量程計算，轉矩控制精度就必須達到 0.2%。
如何實現(xiàn)交流測功機的轉矩控制，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備的控制精度，這對用戶是不負責任的。
重慶高標科技有限公司在 ABB 傳動部的大量支持與幫助下，經過長期深入的研究與試驗，了一種新的轉矩控制策略，解決了交流測功機的轉矩控制之難題，轉矩控制精度達到了 0.1%。從目前我們掌握的資料和信息來看，高標公司的技術是的。
（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冷或水冷排出去，長時間加載運行將會由于內部溫度升高而造成加載轉矩不穩(wěn)定，從而影響加載試驗的重復性。此外，轉矩控制特性也不好。
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據來進行伺服分析。伺服分析系統(tǒng)的可靠性來自多方面的性能和質量保障，包括加載裝置的可靠性，測量信號的可靠性，數據采集和轉換的可靠性以及機電傳動機構的可靠性等。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，zui終確保系統(tǒng)的可靠性。
1.6 主要功能和技術指標
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計的一個定制設備，能夠進行 15 kW 以下伺服電機和伺服驅動器的集成檢測和特性分析。應用場合以產品研發(fā)中心和實驗室為主，也可用于產品生產線。
伺服系統(tǒng)特性分析與檢測平臺的設計與應用
CMTS 1550 的總體性能達到了當前電機測試的zui高水平，其技術指標可以作為伺服分析系統(tǒng)的典型數據。我們自己認為，如果缺少這些功能和達不到這些技術指標，就不能算是伺服分析，而只能還是在測電機。##61550; 被測電機規(guī)格： 60、80、90、110、130、150、190。
##61550; 模擬加載裝置： 交流測功機，額定功率15 kW，額定矩扭50 Nm。
##61550; 轉矩控制模式： 直接轉矩控制（無扭矩傳感器）／轉矩閉環(huán)控制（帶扭矩傳感器）。
##61550; 轉速控制模式： 轉速閉環(huán)控制（帶轉速脈沖編碼器）。
##61550; 轉矩測量/反饋： 德國ETH扭矩傳感器，測量范圍0…50Nm，精度0.5%（滿量程），
轉矩動態(tài)響應時間（10% 到 90% 轉矩階躍上升時間）小于 2 ms。
##61550; 轉速測量/反饋： 增量式脈沖編碼器，每轉8,000個脈沖，轉速分辨率0.01 rpm。
##61550; 轉矩動態(tài)特性： 轉矩動態(tài)響應時間（0到100%額定轉矩階躍加載時間）小于5 ms。
##61550; 速度調節(jié)范圍： 主傳動軸 0 rpm…6,000 rpm／副傳動軸 0 rpm…12,000 rpm。
##61550; 轉矩控制精度： 3%（開環(huán)）／0.1%（閉環(huán)）。
##61550; 轉速控制精度： 0.1%（開環(huán)）／0.01%（閉環(huán)）。
2 平臺設計和主要設備
2.1 測控系統(tǒng)設計要點
如何選用*而可靠的測控設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、數據采集卡、單片機等來搭建測控系統(tǒng)的設計思路，提高測控設備的通用性、靈活性、可靠性和降低成本。我們學習和參考國外公司的*設計理念，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、數據采集、計算機通訊和測試軟件等進行了多方面的創(chuàng)新和改進。我們所使用的技術全部具有當今世界電機測控的zui高水平，包括的工業(yè)標準技術、實驗室技術和自有知識產權技術。
伺服分析測控系統(tǒng)控制框圖如圖所示，全部測控設備實現(xiàn)了模塊化、柔性化和智能化。主要測控設備有：
##61550; 加載電機（三相交流異步電動機），額定功率 15 kW。
##61550; ABB 公司 ACS800 系列變頻器，能耗吸收型。
##61550; D8001 高速可編程交流測功機控制器，高標公司新產品。
##61550; 德國 ETH 公司扭矩傳感器，量程 50 Nm，測量誤差小于 0.5%。
##61550; CMTS 8.0 電機測試軟件，用于計算機數據采集和分析處理。
2.2 試驗臺架
交流伺服電機在外型和結構上的特點是體積小，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外測試臺架，針對實驗室應用的特點，設計了一款適應多種電機安裝的組件式的試驗臺架。其特點是：布局合理，結構緊湊，工藝*，使用方便。
變頻器和能耗電阻安裝在臺架內部，測試臺安裝的典型部件有：
##61550; 高強度重載荷鋁型材測試臺架。
##61550; 帶T型槽平板及加載電機安裝底座。
##61550; 帶升降和鎖緊機構的被測電機安裝平臺。
##61550; 帶刻度和鎖緊的 X-Y 兩坐標移動平臺。
##61550; 同步升速傳動機構（高速試驗用）。
##61550; 高精度扭矩傳感器，主副軸各一只。
##61550; 電機快速安裝和定位夾具。
##61550; 現(xiàn)場控制器接線和配電箱。
交流伺服電機在外型和結構上的特點是體積小，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外測試臺架，針對實驗室應用的特點，設計了一款適應多種電機安裝的組件式的試驗臺架。其特點是：布局合理，結構緊湊，工藝*，使用方便。
變頻器和能耗電阻安裝在臺架內部，測試臺安裝的典型部件有：
##61550; 高強度重載荷鋁型材測試臺架。
##61550; 帶T型槽平板及加載電機安裝底座。
##61550; 帶升降和鎖緊機構的被測電機安裝平臺。
##61550; 帶刻度和鎖緊的 X-Y 兩坐標移動平臺。
##61550; 同步升速傳動機構（高速試驗用）。
##61550; 高精度扭矩傳感器，主副軸各一只。
##61550; 電機快速安裝和定位夾具。
##61550; 現(xiàn)場控制器接線和配電箱。
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，可以在副傳動軸上提升 2 到 4 倍的轉速，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%，轉矩動態(tài)響應時間小于 2 毫秒。
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，可以在副傳動軸上提升 2 到 4 倍的轉速，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%，轉矩動態(tài)響應時間小于 2 毫秒。
扭矩傳感器的測量信號是伺服分析的主要數據，同時也是交流測功機轉矩閉環(huán)控制的反饋信號。需要特別強調的是，扭矩傳感器的動態(tài)響應時間對實現(xiàn)交流測功機的轉矩閉環(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矩加載和定轉速加載，以及如堵轉、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，特別是生產線和質檢站，更需要快速的操作，如產品的合格與不合格檢驗。
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矩加載和定轉速加載，以及如堵轉、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，特別是生產線和質檢站，更需要快速的操作，如產品的合格與不合格檢驗。
為此，重慶高標公司參考國外的設計理念，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的數字信號處理技術和可編程控制器，具有的交流測功機之控制功能。D8001 設計用來與 ABB 變頻器、三相異步加載電機、轉速-扭矩傳感器以及計算機和其它測控設備配套使用。加載運行可以手動操作，也可通過以太網由計算機進行自動控制。由于采用了 ABB * DTC 直接轉矩控制技術和高標公司的轉矩控制策略，動態(tài)響應快，控制精度高，可重復性好，抗干擾性強，更是實驗室和生產線的理想之選。詳細資料可從高標公司下載。
（2） 主要特性
##61550; 高速數據讀?。和ㄟ^以太網每秒鐘可獲取 120 個扭矩和轉速數據（RS-232 約為 60 個）。
##61550; 加載模式：定轉速加載，定轉矩加載，帶載啟動，動態(tài)堵轉，加載／反拖轉換。
##61550; 轉矩控制：轉矩開環(huán)控制（DTC 轉矩直接控制），轉矩閉環(huán)控制（扭矩傳感器反饋）。
##61550; 扭矩傳感器：模擬信號直接輸入，無需采集卡，數據采集精度 24 位。
##61550; 通訊接口：以太網（Ethernet），通訊速率 100 MHz。
##61550; 高亮度真空熒光顯示器（VFD）：顯示扭矩、轉速、功率的設定值、實際值以及運行狀態(tài)。
##61550; 快速性能參數和曲線測試：從空載到堵轉的性能和參數測試運行時間只需要 3 到 5 秒。
##61550; 外形結構：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。
3.1 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用方式。由于設備的特殊性和應用的單一性，長期以來，人們只是把測功機當作是原動機的負載模擬和能量吸收裝置，因而也就習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備，加載電機由變頻器提供驅動電源，并的控制其轉矩和轉速。與傳統(tǒng)的水力測功機、電渦流測功機等測功器相比較，交流測功機具有的轉矩動態(tài)響應、優(yōu)異的轉矩-轉速控制特性，以及節(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、公共直流母線、電封閉、加載／反拖／堵轉等。目前，AVL、申克、寶克等世界的動力試驗設備制造廠家，都積極推廣和應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的測控方案。
3.2 什么是 DTC？
DTC 是直接轉矩控制（Direct Torque Control）的英文縮寫，它是繼矢量變換控制技術之后，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速技術。
DTC 是交流傳動領域電機控制方式的一次革命，它從零轉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)對電機轉速的控制，并具有的轉矩動態(tài)響應和優(yōu)異的轉速-轉矩控制特性。
DTC 對交流測功機來說是一個*的方案，它可以對加載電機的核心參量—轉矩進行直接控制。從而開發(fā)出交流測功機的能力，并給所有測功機應用提供了益處。
3.3 轉矩控制
變頻器的主要用途是控制轉速，實現(xiàn)交流異步電機的無級調速。因此，變頻器的轉速控制特性非常好，轉速的開環(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%）。
在絕大多數應用場合，變頻器沒有轉矩控制的要求，當然也就沒有準確控制轉矩的功能。但是作為交流測功應用的變頻器，必須準確的控制加載電機的轉矩，因此需要采取另外的控制策略來實現(xiàn)變頻器對轉矩的控制。這是交流測功機應用之變頻器必須解決的問題，也是交流測功機的關鍵技術和難點。
為了實現(xiàn)變頻器對轉矩的準確控制，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 調節(jié)器來控制變頻器的內部轉矩給定。
PID 是一種經典的閉環(huán)控制策略，廣泛應用于工業(yè)自動化的各個領域，如轉速控制、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 或的 PID 模塊來實現(xiàn)。由于各家使用的 PID 策略不同，調試的水平也各有千秋，因此 PID 轉矩閉環(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)別于高標公司的直接在變頻器內部實現(xiàn)的“體內循環(huán)”。
根據我們的研究和試驗，采用“體外循環(huán)”的方案不能實現(xiàn)高精度的轉矩閉環(huán)控制，轉矩的動態(tài)特性也將大大降低。同時存在 PID 參數難以整定，容易產生啟動過沖和震蕩等。其原因是 DTC 變頻器的轉矩動態(tài)響應太快了，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矩。詳細的技術分析可參閱李茂森寫的《交流測功機轉矩閉環(huán)策略之研究》。
為了實現(xiàn)高精度的轉矩閉環(huán)控制，重慶高標公司在 ABB 傳動部的大力支持與幫助下，經過深入的研究和反復的試驗，結合 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)響應與高精度轉矩控制的結合。
高標公司轉矩閉環(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存中，與變頻器的其它控制程序高度集成，協(xié)調統(tǒng)一。我們把這種直接在變頻器內部完成的轉矩閉環(huán)控制策略成為“體內循環(huán)”。
高標公司轉矩閉環(huán)控制策略的主要特點有：
（1） 使用 ABB 變頻器的可編程功能模塊來實現(xiàn)轉矩閉環(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 變頻器的參數進行匹配，不存在參數換算、比例修正和時間延遲等協(xié)調問題。
（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，避免數據采集和轉換過程中的誤差和延時。數據采集精度 24 位，內部運算精度 48 位。
（3） 編程和調試完成后的控制程序直接下載到變頻器的主板上，可靠性*。
需要特別指出的是，采用“體內循環(huán)”策略來做轉矩閉環(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)響應時間必須小于 DTC 變頻器的動態(tài)響應時間（小于 5 毫秒）。我們試驗的結果是達到了千分之一（0.1%）的轉矩控制精度，就我們目前所知，屬于世界zui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，設計有各種功能按鈕和旋鈕。加載電機的運行模式和轉速-轉矩設定可以手動操作，也可通過以太網由計算機進行自動控制。由于采用了 ABB * DTC 直接轉矩控制技術和高標公司的轉矩控制策略，動態(tài)響應快，控制精度高，可重復性好，控制器的使用非常的簡單和方便。
（1） D8001 簡介
D8001 型可編程交流測功機控制器采用的數字信號處理技術和可編程控制器，具有的交流測功機之控制功能。D8001 設計用來與 ABB 變頻器、三相異步加載電機、轉速-扭矩傳感器以及計算機和其它測控設備配套使用。加載運行可以手動操作，也可通過以太網由計算機進行自動控制。由于采用了 ABB * DTC 直接轉矩控制技術和高標公司的轉矩控制策略，動態(tài)響應快，控制精度高，可重復性好，抗干擾性強，更是實驗室和生產線的理想之選。詳細資料可從高標公司下載。
（2） 主要特性
##61550; 高速數據讀?。和ㄟ^以太網每秒鐘可獲取 120 個扭矩和轉速數據（RS-232 約為 60 個）。
##61550; 加載模式：定轉速加載，定轉矩加載，帶載啟動，動態(tài)堵轉，加載／反拖轉換。
##61550; 轉矩控制：轉矩開環(huán)控制（DTC 轉矩直接控制），轉矩閉環(huán)控制（扭矩傳感器反饋）。
##61550; 扭矩傳感器：模擬信號直接輸入，無需采集卡，數據采集精度 24 位。
##61550; 通訊接口：以太網（Ethernet），通訊速率 100 MHz。
##61550; 高亮度真空熒光顯示器（VFD）：顯示扭矩、轉速、功率的設定值、實際值以及運行狀態(tài)。
##61550; 快速性能參數和曲線測試：從空載到堵轉的性能和參數測試運行時間只需要 3 到 5 秒。
##61550; 外形結構：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 關鍵技術和解決方案
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用方式。由于設備的特殊性和應用的單一性，長期以來，人們只是把測功機當作是原動機的負載模擬和能量吸收裝置，因而也就習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備，加載電機由變頻器提供驅動電源，并的控制其轉矩和轉速。與傳統(tǒng)的水力測功機、電渦流測功機等測功器相比較，交流測功機具有的轉矩動態(tài)響應、優(yōu)異的轉矩-轉速控制特性，以及節(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、公共直流母線、電封閉、加載／反拖／堵轉等。目前，AVL、申克、寶克等世界的動力試驗設備制造廠家，都積極推廣和應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的測控方案。
3.2 什么是 DTC？
DTC 是直接轉矩控制（Direct Torque Control）的英文縮寫，它是繼矢量變換控制技術之后，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速技術。
DTC 是交流傳動領域電機控制方式的一次革命，它從零轉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)對電機轉速的控制，并具有的轉矩動態(tài)響應和優(yōu)異的轉速-轉矩控制特性。
DTC 對交流測功機來說是一個*的方案，它可以對加載電機的核心參量—轉矩進行直接控制。從而開發(fā)出交流測功機的能力，并給所有測功機應用提供了益處。
3.3 轉矩控制
變頻器的主要用途是控制轉速，實現(xiàn)交流異步電機的無級調速。因此，變頻器的轉速控制特性非常好，轉速的開環(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%）。
在絕大多數應用場合，變頻器沒有轉矩控制的要求，當然也就沒有準確控制轉矩的功能。但是作為交流測功應用的變頻器，必須準確的控制加載電機的轉矩，因此需要采取另外的控制策略來實現(xiàn)變頻器對轉矩的控制。這是交流測功機應用之變頻器必須解決的問題，也是交流測功機的關鍵技術和難點。
為了實現(xiàn)變頻器對轉矩的準確控制，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 調節(jié)器來控制變頻器的內部轉矩給定。
PID 是一種經典的閉環(huán)控制策略，廣泛應用于工業(yè)自動化的各個領域，如轉速控制、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 或的 PID 模塊來實現(xiàn)。由于各家使用的 PID 策略不同，調試的水平也各有千秋，因此 PID 轉矩閉環(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)別于高標公司的直接在變頻器內部實現(xiàn)的“體內循環(huán)”。
根據我們的研究和試驗，采用“體外循環(huán)”的方案不能實現(xiàn)高精度的轉矩閉環(huán)控制，轉矩的動態(tài)特性也將大大降低。同時存在 PID 參數難以整定，容易產生啟動過沖和震蕩等。其原因是 DTC 變頻器的轉矩動態(tài)響應太快了，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矩。詳細的技術分析可參閱李茂森寫的《交流測功機轉矩閉環(huán)策略之研究》。
為了實現(xiàn)高精度的轉矩閉環(huán)控制，重慶高標公司在 ABB 傳動部的大力支持與幫助下，經過深入的研究和反復的試驗，結合 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)響應與高精度轉矩控制的結合。
高標公司轉矩閉環(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存中，與變頻器的其它控制程序高度集成，協(xié)調統(tǒng)一。我們把這種直接在變頻器內部完成的轉矩閉環(huán)控制策略成為“體內循環(huán)”。
高標公司轉矩閉環(huán)控制策略的主要特點有：
（1） 使用 ABB 變頻器的可編程功能模塊來實現(xiàn)轉矩閉環(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 變頻器的參數進行匹配，不存在參數換算、比例修正和時間延遲等協(xié)調問題。
（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，避免數據采集和轉換過程中的誤差和延時。數據采集精度 24 位，內部運算精度 48 位。
（3） 編程和調試完成后的控制程序直接下載到變頻器的主板上，可靠性*。
需要特別指出的是，采用“體內循環(huán)”策略來做轉矩閉環(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)響應時間必須小于 DTC 變頻器的動態(tài)響應時間（小于 5 毫秒）。我們試驗的結果是達到了千分之一（0.1%）的轉矩控制精度，就我們目前所知，屬于世界zui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，設計有各種功能按鈕和旋鈕。加載電機的運行模式和轉速-轉矩設定可以手動操作，也可通過以太網由計算機進行自動控制。由于采用了 ABB * DTC 直接轉矩控制技術和高標公司的轉矩控制策略，動態(tài)響應快，控制精度高，可重復性好，控制器的使用非常的簡單和方便。
（1） 功能按鈕
##61550; 故障復位（RESET）：當顯示變頻器或控制器出現(xiàn)故障時，按鍵復位。
##61550; 電機轉向（FOR／REV）：電機正轉（FOR），或電機反轉（REV）。
##61550; 控制模式（DTC／PID）：轉矩開環(huán)控制（DTC），或轉矩閉環(huán)控制（PID）。
##61550; 加載模式（SPD／TOR）：定轉速控制（SPD），或定轉矩控制（TQE）。
##61550; 功能鍵（F1 和 F2）：預先定制的加載功能，如動態(tài)堵轉、帶載啟動等。
##61550; 加減按鈕（UP-DOWN）：手動單步加減設定按鍵，每步 1 rpm或 0.1 Nm。
（2） 轉速和轉矩設定
D8001 控制器的轉矩設定和轉速設定使用同一個旋鈕，它能夠根據運行模式自動選擇轉速設定或轉矩設定。設定旋鈕使用脈沖發(fā)生器，設定準確，手感*。
（3） 啟動和停止
轉速和轉矩設定旋鈕帶有啟動／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 控制器的各種參數和狀態(tài)。顯示參數有轉速、轉矩的設定值、實際值和功率的計算值。特殊參數顯示和狀態(tài)可以定制，如產品的合格與不合格檢驗。
##61550; 故障復位（RESET）：當顯示變頻器或控制器出現(xiàn)故障時，按鍵復位。
##61550; 電機轉向（FOR／REV）：電機正轉（FOR），或電機反轉（REV）。
##61550; 控制模式（DTC／PID）：轉矩開環(huán)控制（DTC），或轉矩閉環(huán)控制（PID）。
##61550; 加載模式（SPD／TOR）：定轉速控制（SPD），或定轉矩控制（TQE）。
##61550; 功能鍵（F1 和 F2）：預先定制的加載功能，如動態(tài)堵轉、帶載啟動等。
##61550; 加減按鈕（UP-DOWN）：手動單步加減設定按鍵，每步 1 rpm或 0.1 Nm。
（2） 轉速和轉矩設定
D8001 控制器的轉矩設定和轉速設定使用同一個旋鈕，它能夠根據運行模式自動選擇轉速設定或轉矩設定。設定旋鈕使用脈沖發(fā)生器，設定準確，手感*。
（3） 啟動和停止
轉速和轉矩設定旋鈕帶有啟動／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 控制器的各種參數和狀態(tài)。顯示參數有轉速、轉矩的設定值、實際值和功率的計算值。特殊參數顯示和狀態(tài)可以定制，如產品的合格與不合格檢驗。
4.2 試驗模式
D8001 一個非常重要的特點是可編程，因而可以進行適應各種應用。常用的幾種運行模式已經設計在其中，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，帶載啟動或產品的合格與不合格檢驗。更為復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，以便繪制曲線進行特性分析。
（1） 瞬間加載（定轉矩控制）
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。
（2） 反拖切換（定轉速控制）
在空載或加載過程中瞬間將測功機轉換為電動機，拖動原動機旋轉。轉換過程瞬間完成，不停機。
（3） 動態(tài)堵轉（零轉速控制）
快速將空載旋轉的原動機強制到零速堵轉狀態(tài)，無需機械制動器。從空轉到堵轉的加載時間約 1 到 3 秒鐘。堵轉狀態(tài)的運行時間不受限制，加載電機不發(fā)熱。
（4） 帶載啟動（恒轉矩控制）
預先設定一個負載轉矩，啟動過程中負載轉矩始終保持恒定不變。
（5） 產品檢驗（定參數控制）
按照預定的檢驗參數和運行模式，運行中自動檢測，給出產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。
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，伺服系統(tǒng)轉矩和轉速的變化過程。因此，只有通過伺服分析，才能明明白白的知道我們自己產品到底如何？與其它公司產品比較有什么差異？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)，電機額定轉矩3.2 Nm，額定轉速 3,000 rpm。
圖7是的該伺服系統(tǒng)啟動特性測試曲線，試驗轉速500 rpm，模擬加載轉矩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：
##61550; 電機從零轉速到500 rpm的啟動時間為1.5 秒。轉速上升非常平滑，無過沖。
##61550; 電機輸出轉矩的上升也非常迅速和平滑，時間約1秒鐘。
##61550; 請?zhí)貏e注意，當轉速快接近設定值 500 rpm 時，轉矩上升出現(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，這一點值得我們學習和借鑒。
D8001 一個非常重要的特點是可編程，因而可以進行適應各種應用。常用的幾種運行模式已經設計在其中，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，帶載啟動或產品的合格與不合格檢驗。更為復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，以便繪制曲線進行特性分析。
（1） 瞬間加載（定轉矩控制）
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。
（2） 反拖切換（定轉速控制）
在空載或加載過程中瞬間將測功機轉換為電動機，拖動原動機旋轉。轉換過程瞬間完成，不停機。
（3） 動態(tài)堵轉（零轉速控制）
快速將空載旋轉的原動機強制到零速堵轉狀態(tài)，無需機械制動器。從空轉到堵轉的加載時間約 1 到 3 秒鐘。堵轉狀態(tài)的運行時間不受限制，加載電機不發(fā)熱。
（4） 帶載啟動（恒轉矩控制）
預先設定一個負載轉矩，啟動過程中負載轉矩始終保持恒定不變。
（5） 產品檢驗（定參數控制）
按照預定的檢驗參數和運行模式，運行中自動檢測，給出產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，伺服系統(tǒng)轉矩和轉速的變化過程。因此，只有通過伺服分析，才能明明白白的知道我們自己產品到底如何？與其它公司產品比較有什么差異？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)，電機額定轉矩3.2 Nm，額定轉速 3,000 rpm。
圖7是的該伺服系統(tǒng)啟動特性測試曲線，試驗轉速500 rpm，模擬加載轉矩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：
##61550; 電機從零轉速到500 rpm的啟動時間為1.5 秒。轉速上升非常平滑，無過沖。
##61550; 電機輸出轉矩的上升也非常迅速和平滑，時間約1秒鐘。
##61550; 請?zhí)貏e注意，當轉速快接近設定值 500 rpm 時，轉矩上升出現(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，這一點值得我們學習和借鑒。
根據伺服系統(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)新性的設計與應用，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動器的集成檢測。
到目前為止，由重慶高標公司設計和制造的檢測平臺已交付兵器部五八所等多家單位。使用結果表明，該檢測平臺符合產品研發(fā)的需要，為提高產品性能和質量發(fā)揮了極為重要的作用。
到目前為止，由重慶高標公司設計和制造的檢測平臺已交付兵器部五八所等多家單位。使用結果表明，該檢測平臺符合產品研發(fā)的需要，為提高產品性能和質量發(fā)揮了極為重要的作用。
