第7期2012年7月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool ＆Automatic Manufacturing Technique
No．7Jul．2012
文章编号：1001－2265（2012）07－0064－04
伺服驱动器测试方法的仿真研究
晏
杰，闫英敏，赵
霞
（军械工程学院电气控制教研室，石家庄050003）
*
摘要：以伺服驱动器为研究对象，对其测试方法进行了仿真研究。通过对其构造与原理的深入分析，
提出一种单体测试方法。即通过模拟伺服驱动器的实际工作环境，对其输出的相关信号进行采集和从而判断其工作状态是否正常。按照所提出的测试方法采用Matlab /Simulink对其测试系统进分析，
目前阶段得出的仿真结果表明了所采用方法的可行性和有效性，从而为研制在没行了建模与仿真，
有配套执行电机条件下的伺服驱动器自动测试系统提供了一种可行的方法。
关键词：伺服驱动器；测试；Simulink ；建模；仿真中图分类号：TH162；TJ306
文献标识码：A
Simulation Study on Test Method of Servo Driver
YAN Jie ，YAN Ying-min ，ZHAO Xia
（Electrical Control Teaching and Research Section ，Ordnance Engineering College ，Shijiazhuang 050003，China ）
Abstract ：The servo driver is taken as research object and simulation study is conducted on its test meth-od．A test method only for servo driver monomer is put forward through analyzing its structure and theo-ry deeply．The actual working condition of the servo driver is simulated．Then the related output signals are acquired and analyzed．Accordingly it can be judged whether the operative mode of the servo driver is normal or not．Modeling and simulation for its test system are completed using Matlab /Simulinkac-cording to the test method．At present ，the results of simulation indicate the feasibility and effectiveness of the proposed method．Thus an achievable way is provided to develop the automatic test system of ser-vo driver under the circumstance of no matched servo motor．Key words ：servo driver ；test ；Simulink ；modeling ；simulation
0引言
我国自行研制的新型装备伺服系统采用了伺服
模式进行了建模与仿真，而有时在没有配套执行电机的情况下也需要测试伺服驱动器工作状态是否正常。因此，研究针对伺服驱动器的单体测试技术，对于满足装备使用人员和维修人员的需求，提高装备的快速保障能力和维修水平，具有重要的现实意义。本文基于对某型伺服驱动器构造与原理的深入分析，在Matlab /Simulink中建立了其仿真模型，研究了针对其工作状态的测试方法，并通过仿真验证了该方法的可行性与有效性。
驱动器作为放大部件，执行电机为稀土永磁交流方波无刷电动机。伺服驱动器在控制信号的作用下，驱动执行电机，因此其能否正常工作直接影响到装备的整体性能。然而，由于长期运行在严酷的工作条件下，伺服驱动器发生故障的概率非常高。根据有关统计数据，在伺服系统中，伺服驱动器发生故障的概率最大，达到了故障全部概率的31%
［1］
。目前，
对于伺服驱动器单体测试技术的深入研究较少。过去主要研究整个伺服系统动、静态性能的测试技术。2］3］文献［和［对整个无刷直流电机驱动系统的故障
1伺服驱动器构造与原理
伺服驱动器的作用是调节电动机的转速，因此
这是一个自动调速系统。本文所研究的某型伺服驱
收稿日期：2011－12－12；修回日期：2012－01－17*基金项目：总装备部科研基金项目
（E －mail ）jack20030552@作者简介：晏杰（1988—），男，陕西汉中人，军械工程学院硕士研究生，研究方向为装备电气系统检测与故障诊断，
163．com 。
2012年7月晏杰，等：伺服驱动器测试方法的仿真研究
ʃ 15V 信号和+5V 信号是否正常即可。
·65·
动器由五部分电路组成：电源电路、继电器板电路、
主控板电路、驱动板电路及功率变换电路。电源电路的作用是把外部输入的28V 直流电变换为不同大
为继电器板、驱动板及功率变换电小的直流电输出，
路提供直流电源。继电器板的作用主要有两方面，
分别是提供24V 及ʃ 15V 直流电；完成控制信号、转速检测信号及转子位置检测信号的传递。主控板是伺服驱动器的核心控制板，其采用数字信号处理器（DSP ）作为主控芯片，根据由继电器板传递的控制信号及检测信号，完成双闭环控制的电流调节与转速并实现执行电机的换相控制，其中转速调调节运算，
节器和电流调节器均采用PI 控制算法。DSP 还通过软件实现PWM 调速方式。驱动板从主控板接收控制信号，驱动功率变换电路，实现执行电机的正常运转。功率变换电路，即主电路，采用三相全控桥式逆
其导通方式采用三相六状态120导通方式。变电路，
该伺服驱动器的工作原理框图如图1所示
［4-5］
双闭环及PWM 调节功能的原理是通过对伺服驱动器输出电流的调节来最终实现对执行电机转速
的调节。因此，测试该项功能可以通过检测伺服驱动器的输出电流能否稳定在某一期望值来实现。换相控制功能及主电路工作状态也可以通过伺服驱动器输出的三相电流来反映。因此，可以将第（2）项和第（3）项测试内容融合在一起。具体的测试方法为：选取三相对称Y 接阻感负载接到伺服驱动器的输出端，给其输入转速给定信号以及比转速给定信号小的转速反馈信号，同时输入与转速反馈信号相一致的反映电机转子位置的三相Hall 信号，然后测量其输出的三相电流。为了尽可能保护伺服驱动器，将其输出电流绝对值最大的一相始终作为监控相。因此，对三相电流实时测量，并将它们绝对值的最大值与期望的输出电流值比较。若其小于期望的输出电
则保持输入到伺服驱动器的转速反馈信号大流值，
则将输入到伺服驱动器的转速反小不变；反之，
馈信号改变为大于转速给定信号的某一值。若伺服驱动器满足前面的条件（2）和（3），则检测到的其输出三相电流将符合下面的规律。即当输入到伺服驱动器的三相Hall 信号每变化一次时，三相电流中相应的一相将迅速减小为零，一相将迅速增大直至其大小稳定在期望的输出电流值附近，还有一相将经过短暂的波动后仍然稳定在期望的输出电流值附近。反之，若检测得到的三相电流不符合上面的规律，则说明伺服驱动器不满
［8］
足条件（2）和（3），即工作状态不正常。电机起动初始时刻需要伺服驱动器输出较大的
而起动结束正常运行时需要伺服驱动器持续电流，
输出稳定的工作电流。因此伺服驱动器带载能力测试包括两方面内容：一是测试其能否在短暂时间内输出较大的起动电流；二是测试其能否持续输出额定电流。具体测试方法与前面的类似，只是在测试过程中输入伺服驱动器的三相Hall 信号要确保在初始的短暂时间内使主电路的6个功率开关管均触发一次，在这段时间内期望的输出电流值选取为电机起动时伺服驱动器输出电流的最大值，之后则选取为其输出电流的额定值。这是由于在伺服驱动器的
其主电路的6个功率开关管要轮换工工作过程中，
作，均要通过电流，因此需要对每个功率开关管的载
流能力进行测试。根据以上分析可知，只有先对伺服驱动器进行第（2）项和第（3）项内容的测试，并且测试结果正常时，才能对其进行带载能力的测试。若伺服驱动器带载能力符合要求，则其输出的三相电流在初始的短暂时间内均能达到并稳定在电机起
。
图1伺服驱动器的工作原理框图
2伺服驱动器单体测试方法
伺服驱动器的外部共有5个插座，其中1个为内
部监控插座，外部并不使用。其余4个插座中输入转速给定信号、复位信号、转速信号包括使能信号、反馈信号、转子位置反馈信号及直流母线电压，输出信号包括三相电压信号、为主控板供电的ʃ 15V 信
为光电编码器供电的+5V 信号。为了实现伺服号、
驱动器的单体测试，可以通过模拟伺服驱动器的实
对其输出的际工作环境（即所有输入信号和负载），
相关信号进行采集和分析，从而判断其工作状态是
［6-7］
。由于伺服驱动器输出的电压信号为脉否正常
冲信号，不便于采集和分析，因此将阻感负载接到伺
服驱动器的输出使其输出电流为连续信号，从而采用该电流信号作为待测信号。
根据伺服驱动器的工作原理可知，其要能正常工作必须满足以下4个条件：①电压转换功能正常；②双闭环及PWM 调节功能正常；③换相控制功能及主电路工作状态正常；④带载能力符合要求。因此，对伺服驱动器的测试要完成以上4项内容。测试电压转换功能比较容易，只需要从伺服驱动器的输入端子输入直流母线电压和使能信号，然后测试其输出端子输出的分别为主控板和光电编码器供电的
·66·
组合机床与自动化加工技术
第7期
动电流的最大值附近，之后将减小并稳定在其输出
若检测得到的三相电流电流的额定值附近。反之，
与上面的分析不一致，则说明伺服驱动器带载能力
不符合要求。
相输出电流很快稳定在70A 附近，且符合前面分析
三相Hall 信号由的变化规律。如t =0. 06s 时，
“001”“101”，V 6变为主电路中导通的开关管由V 5、V 1，U 相变为V 6、因此W 相输出电流迅速减小至零，
V 相电流经过短电流迅速增大并稳定在70A 附近，
暂的波动后仍然稳定在70A 附近。改变仿真模型中
输出电流的期望值（不要超过伺服驱动器的额定输出电流值70A ），三相输出电流的波形仍然符合前面分析的变化规律。仿真结果表明该方法用于测试伺服驱动器双闭环及PWM 调节功能、换相控制功能及主电路工作状态是可行的。
3
3. 1
仿真验证
伺服驱动器仿真模型的建立
首先建立伺服驱动器的仿真模型。根据其工作原理，在Matlab /Simulink中建立其仿真模型如图2a
［9-11］
。所示，图中的子系统Decoder 为换相控制模块
转速调节器ASR 的比例系数为10，积分系数为6，电
流调节器ACR 的比例系数为10，积分系数为6。然后将伺服驱动器的仿真模型进行封装得到图2b 所示的Servo Driver 。
图3测试系统的仿真模型
图2伺服驱动器的仿真模型及其封装模块
图4
三相Hall 信号与伺服驱动器输出的三相电流波形
3. 2测试方法的仿真验证
按照针对第（2）项和第（3）项测试内容的测试方法搭建的测试系统仿真模型如图3所示。三相对称Y 接阻感负载每一相电阻为0. 03Ω，电感为0. 035mH 。其中转速给定信号为2000r /min，输出电流期望值为70A 。当输出三相电流绝对值的最大值大于70A 时，输入到伺服驱动器的转速反馈信号为2002r /min；反之，当输出三相电流绝对值的最大值小于70A 时，输入到伺服驱动器的转速反馈信号为1998r /min。三相Hall 信号的周期设定为0. 01s 。仿真运行得到的三相Hall 信号与伺服驱动器输出的三相电流波形如图4所示。由图4可以看出三
按照带载能力的测试方法搭建的测试系统仿真模型与图3所示的仿真模型一致，只是部分模块的参数设置有所改变。输出电流期望值在t =0s 至t =0. 035s 为170A ，在t =0. 035s 以后为70A 。当输出三相电流绝对值的最大值大于输出电流期望值时，输入到伺服驱动器的转速反馈信号为2010r /min；反当输出三相电流绝对值的最大值小于输出电流之，
期望值时，输入到伺服驱动器的转速反馈信号为1990r /min。三相Hall 信号的周期设定为0. 03s 。仿真运行得到的伺服驱动器输出的三相电流波形如图5所示。由图5可以看出，在t =0. 035s 之
2012年7月晏杰，等：伺服驱动器测试方法的仿真研究
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前，三相输出电流很快达到并稳定在170A 附近，在t
=0. 035s 之后，三相输出电流减小并一直稳定在70A 附近。仿真结果表明该方法用于测试伺服驱动器带载能力是可行的。
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（编辑
李秀敏）
图5测试带载能力时伺服驱动器输出的三相电流波形
4结束语
本文基于装备使用人员与维修人员的需求，通过对某型伺服驱动器构造与原理的深入分析，对其提出一种单体测试方法。并按照所提出的测试方法在Matlab /Simulink中对测试系统进行了建模与仿仿真结果表明了所采用方法的可行性和有效性。真，
本文为研制在没有配套执行电机条件下的伺服驱动器自动测试系统提供了一种可行的方法。
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（上接第63页）断齿所引起的冲击。因为此时冲击
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（编辑
李秀敏）
5结束语
在对齿轮箱的典型故障进行理论研究的基础
结合数字信号滤波技术，包络提取技术和频谱分上，
析方法成功的提取齿轮箱中轴承外圈故障和齿轮断齿故障特征信息，进而为旋转机械设备的维护提供较为准确的决策。具有一定的科研和工程应用价
在齿轮箱故障诊断过程中有时值。值得注意的是，
面临的不仅是单一故障，这就需要其它信号处理方法，如信号盲源分离（BSS ）、神经网络和支持向量机（SVM ）等现代信号处理技术与现有的特征提取方法相结合，以实现齿轮箱多源复合故障的诊断，这也是后续研究的重点和难点。
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