伺服电机加载测试系统

　　伺服电机加载测试系统是由电机测试行业国际领先的张力测控团队精心打造的能量回馈式四象限伺服对拖系统，系统可用于伺服机器人电机、无刷电机及其他各种电机及驱动器综合特性测试。系统具有使用灵活，测试精准、稳定，操作安全方便等特点，且具有测试范围宽广、分析功能强大等优点，广泛运用于各种电机研发、检测、质量认证、选型等电机测试行业，如航空、航天、军事、民用、院校、科研机构、机器人伺服等领域。

　　测试系统框图如下。该系统所有涉及到人机交互都在工业控制计算机上执行，通过计算机上的软件下达命令给到执行机构。该系统适配测试台架为伺服对拖台架，测试机柜主要用来放置仪器仪表和操作区，测试仪表包含工业控制计算机用来安装测试软件和各个仪表通讯，功率分析仪用来测量被测电机的扭矩;转速;输出功率;电压;电流输入功率等，电阻测试仪主要用来测试电机的空载损耗，温度测试仪主要用来测试电机的温升，电机供电电源主要用来给被测电机供电，电机供电电源由客户自备不放置在机柜内。系统框图和原理图如下所示：

　　

 

　　测量参数(根据设备不同配置可以完成如下功能)

　　1空载测试：

　　空载试验是指电机作为空载电动机运行，其轴端无有效机械功率输出的试验(或测功机不加载时)。通过采集其母线电压;母线电流;母线功率;每相的相电压;每相的相电流;每相的相功率;振动等参数。测试时自动采集、显示测试数据。记录电流、电压、输入功率、功率因数、转速、温度、频率等;

　　2负载测试(针对被测电机开环控制下的测试)：

　　电机负载测试功能，包含了电机基本运行情况的测试，同时，也可模拟不同转速下电机的运行情况，方便用户对电机实际应用时所遇到的情况进行预判。例如，模拟电机工况带载运行，模拟恒扭矩状态，可以显示扭矩转速相对应的变化情况。主要测试被测电机在不同负载下的机械参数和电性能参数。

　　机械性能包含：电机运行转速、扭矩、输出功率、转向;角度等。

　　电量参数：控制器母线的电压;电流;输入功率;控制器输出及电机输入端的电压(U V W);电流(U V W);输入功率(U V W);功率因素等。

　　其他参数：电机效率;驱动器效率;整机效率;温度等。

　　具体测试试验有以下方式

　　2.1手动加载试验：

　　通过上位机软件将被测电机运行在设定的转速或额定电压下，通过操作员拉动软件上的加载滚动条，来控制测功机给被测电机加载，并实时显示测试的数据与曲线，如工作特性曲线图，T/N,T/I曲线等

　　(具有单点手动控制功能，按设定的控制模式和设定的控制量控制电机工况)

　　2.2合格不合格测试：

　　通过上位机软件将被测电机运行在设定的额定电压下，通过测试软件让测功机输出设定负载，系统可调用工程设定好在某个负载的给被测产品设置的上下限，并判断当前测量参数是否在其范围。

　　2.3定点电流测试：

　　通过上位机软件将被测电机运行在设定的转速或额定电压下，测试软件可根据工程师设定好的参数进行电流闭环控制，测试电机在不同电流下的性能。如工作特性曲线图，T/N,T/I曲线等

　　2.4定点转速测试：

　　通过上位机软件将被测电机运行在设定的转速或额定电压下，测试软件可根据工程师设定好的参数进行转速闭环控制，测试电机在不同转速下的性能。如工作特性曲线图，T/N,T/I曲线等

　　2.5全程测试：

　　通过上位机软件将被测电机运行在设定的转速或额定电压下，测试软件可根据工程师设定好的参数进行扭矩闭环控制，测试电机在空载加载到设定负载，并在设定负载卸载到空载整个过程的测试。因为电机有励磁特性所以电机的加载上升曲线和下降曲线不同。测试软件会将下降曲线和上升曲线通过软件计算，绘制出理想的工作特性曲线图。

　　2.6校正测试：

　　将厂商配置的校正平衡杆，锁在测功机输出轴，通过软件控制测功机加载，在平衡杆对应挂点上挂上砝码，看其转矩是否符合精度要求，如果稍许偏差可通过调节测功机电路板上的电位器调整。实现用户在本场能自我校正测功机准确与否。

　　

 

　　3.型试试验测试：(针对被测电机闭环控制下的测试)

　　3.1工作区测试：

　　工作区测试主要针对被测电机的额定测试和峰值测试一体，测试被测电机在短时工作区和连续工作的性能，测试参数有扭矩;转速;功率;温度等。工作区用转速和转矩组成的二维平面坐标表示。电机温升不超过规定值，能长期工作的区域为连续工作区。下图中处于“连续堵转转矩”，“额定转矩”和“最高允许转速”以内的工作区域(图中无阴影区域)，它是由电机的发热，受离心力影响的机械强度，换相或驱动器的极限工作条件限制的范围。超出连续工作区，允许电机短时过载运行的区域为断续工作区(图中阴影区域)。

　　注1：额定功率PN，额定转速nN与额定转矩TN的关系为：PN = TN x (2π/60 x nN)

　　注2：对于带油封，制动器等其他附件的电机，应降额使用。

　　

 

　　试验方法：根据国标GB/T 30549 -2014来完成此项试验

　　连续工作区测试(国标定义)：将被测电机固定在试验台架上，试验环境应不受外界辐射及气流影响。连续工作区的实验在转速n0,nN和nmax三点进行。其中n0为零速，即电机堵转;nN为额定转速点;nmax为最高允许转速。在上述三点施加对应的最大负载转矩，电机的温升不超过设计的规定值。

　　连续工作区测试方法：

　　1. 在額定转矩条件下,从额定转速开始.测得转速n1・使得电机在此转速下运行2小时的温升为60K(具体根据设计来定).此转速为电机在额定负载时.能连续工作的最高转速.

　　2、在空载条件下，从额定转速开始，以毎分钟増加60rpm的速度逐渐增加电机转速.井同时現察实际測量转速.当实际转速不随设定转速増加时，记下此时的转速n2・此转速亦为空载最高转速.

　　1. 短时工作区测试(国标定义)：将被测电机固定在试验台架上，试验环境应不受外界辐射及气流影响的实验在转速n0和nmax两点进行，在该点施加规定倍率的额定转矩，测量其温升在规定的时间内符合设计要求。

　　短时工作区测试方法：

　　2. 在0.25额定转速条件下，在1min之内，转矩从额定转矩逐渐增加至3倍额定扭矩，测试电机表面温度不超过60℃。

　　3. 在0.5额定转速条件下，在30s之内，转矩从额定转矩逐渐增加至3倍额定扭矩，测试电机表面温度不超过60℃。

　　4. 在0.75额定转速条件下，在10s之内，转矩从额定转矩逐渐增加至3倍额定扭矩，测试电机表面温度不超过60℃。

　　5. 在额定转速条件下，在5s之内，转矩从额定转矩逐渐增加至3倍额定扭矩，测试电机表面温度不超过60℃。

　　测量参数：(扭矩，转速，电压，电流，功率，温度，时间等)

　　额定功率：在连续工作区内，电机所输出的最大功率

　　额定转矩：电机在额定功率和额定转速下的输出转矩

　　额定转速：在连续工作区内，电机额定功率点的转速

　　连续堵转转矩：在连续工作区内，电机所输出的最大连续转矩

　　峰值堵转转矩：在超出连续工作区，电机允许短时输出的最大转矩

　　连续堵转电流：在连续工作区内，对应连续堵转转矩是的绕组电流(方波驱动电机电流为峰值，正玄波驱动电机电流为有效值)

　　最高允许转速：在保证电气绝缘介电强度和机械强度条件，电机最大设计转速(方法2在空载条件下，从额定转速开始，以毎分钟増加60rpm的速度逐渐增加电机转速.井同时現察实际測量转速.当实际转速不随设定转速増加时，记下此时的转速n2・此转速亦为空载最高转速.)

　　过载扭矩：在1.2倍额定转矩条件下，在额定转速开始，连续运行2min，记下此时电机的外壳温度T不超过设定的值。

　　3.2转矩波动测试：

　　国标定义：根据国标GB/T 30549-2014 明确定义了电机的转矩波动测试方法，电机在最低速下的转矩波动系数推荐按照下列值规定：3%;5%，7%，10%，15%。(注：电机的转矩波动是电机和配套驱动器所组成的系统的综合反映，必要时制造商应和用户协商一致，明确测量条件)。在稳定工作温度下，电机施加额定转矩，并在产品专用技术条件规定的最低转速下运行，用转矩测试仪测量并记录电机在一转中的输出转矩，找出最大转矩和最小转矩，按公式计算电机的转矩波动系数，结果应符合技术要求。

　　

　　测试方法：(被测电机处于开环控制下)

　　将被测电机固定在试验台架上，试验环境应不受外界辐射及气流影响。利用开环控制方式将被测电机通电，控制系统将对拖电机以一定转速(0.1~20rpm 设定)稳速旋转，被测电机为了摆脱托控，会使用全部的转矩力争摆脱，从而测试电机在这样运行下的扭矩波动。由于扭矩传感器分辨率和仪器仪表采样率的特性建议测试转矩波动时高速扭矩波动测试，建议 1000rpm 内。

　　测量参数：扭矩，时间等。

　　

 

　　3.3转速波动测试：

　　国标定义：根据国标GB/T21418-2008定义了电机的转速波动测试方法，试验在电机空载条件下进行，系统输入额定正反转转速指令(改变方向但不改变变量值)，测量电动机的正反转速平均转速nccw和ncw,按公式计算正反转速差。系统在额定转速，空载条件下运行，测量出电动机最大瞬态转速和最低瞬态转速，计算出转速波动系数。瞬态转速最大值为nmax,最小值为nmin

　　

 

　　测试方法：将被测电机固定在试验台架上，试验环境应不受外界辐射及气流影响。将被测电机运行在额定转速条件下，通过功率分析仪或者模拟示波器读取高精度转速编码器的值来计算转速波动。

　　测量参数：转速，时间等。

　　3.4转矩变化的时间响应：

　　国标定义：根据国标定义了转矩变化的时间响应，系统正常运行时，对被测电机施加转矩或突然卸去转矩负载，被测电机转速随时间的变化叫做系统对转矩变化的时间响应。

　　测试方法1：将被测电机固定在试验台架上，试验环境应不受外界辐射及气流影响。将被测电机运行在0.5 倍的额定转速条件下，伺服对拖系统由空载突然施加到 0.5 倍连续工作区中最大的扭矩，稳定后卸去该转矩负载，记录转矩变化的时间响应曲线;绘制时间响应曲线图。判断其如下图转速曲线，随着转矩变化，转速从突变开始到突变结束的时间定义为扭矩变化的时间响应。

　　

　　测试方法2：将被测电机固定在试验台架上，试验环境应不受外界辐射及气流影响。系统控制被测电机做转矩模式，通过对拖电机拖动被测电机，系统控制被测电机从空载加到0.5倍额定转矩。记录其扭矩变化的时间定义为扭矩变化的时间响应。

　　3.5转速变化的时间响应：

　　国标定义：根据国标GB/T 21418-2008定义被测电机在空载零速条件下，系统(驱动器)输入速度(转速)阶跃信号，转速变化的时间响应过程中的响应时间，超调量和建立时间，应符合产品专用技术条件的规定。试验方法使电动机处于空载零速状态下，输入对应额定转速nN的阶跃信号，记录正阶跃输入的时间响应曲线，读出响应时间，建立时间和瞬态超调并计算出超调量。在稳定的nN转速下，输入信号阶跃到零，记录负阶跃输入的时间响应曲线，读出响应时间，建立时间和瞬态超调并计算出超调量。改变电动机转向重复上述试验，测量四次去平均值。

　　

 

　　测试方法：将被测电机固定在试验台架上，试验环境应不受外界辐射及气流影响。系统控制被测电机做转速模式，通过系统控制被测电机从空载加到额定转速。记录其发送信号到转速稳定的时间定义为转速变化的时间响应。

　　测量参数

　　建立时间：从一个输入变量发生变量阶跃变化的瞬间起，至输出变量偏离其最终稳态值与初始稳态值之差不超过±5%的瞬间止的持续时间间隔。

　　转速变化响应时间：发送信号到转速稳定的时间定义为转速变化的时间响应

　　频带宽度：系统输入量为正弦波，随着正弦波信号的频率逐渐升高(其幅值为额定转速的0.01倍，1hz)，记录电动机对应的转速曲线。对应的输出量的相位滞后逐渐增大同时幅值逐渐减小，相位滞后增大至90°时或者幅值减少至低频段幅值1/√￣2时的频率叫做系统频带宽度。

　　机电时间常数：在恒转矩驱动下，空载转速由 t=0 上升到 63.2%稳定转速所需的时间;

　　电气时间常数：在阶跃输入电压和规定条件下，堵载电机使绕组电流达到其最终值的 63.2%所需的时间

　　3.6反向电动势：

　　国标定义：根据国标GB/T 30549-2014 定义

　　了电机的反向电动势常数试验方法，被测电机不通电，对拖电机将被测电机拖动至规定的某一转速n,用示波器观测其波形，应符合技术要求。测取电机转速为n时的线反电动势U，根据公式计算反向电动势常数

　　

　　测试方法：测试发电斜率：通过测功机稳速拖动被测电机至某一个或多个转速旋转，测试并记录被测电机驱动端在正反两个方向在相同转速下的输出电压Ud,利用公式K=Ud/n×1000计算输出发电斜率。

　　测试电机波形：通过测功机稳速拖动被测电机至某一个或多个转速旋转，可通过功率分析仪观察反向电动势波形相位差。

　　测试参数：电压;波形(波形可以通过功率分析仪观察，软件波形仅供参考(有通讯延时问题))

　　

　　反向电动势测试接线方式

　　3.7效率云图测试：

　　测试软件可根据工程师设定好的参数，测试电机在不同转速下，不同扭矩下的效率，并绘制出效率云图。

　　

 

　　3.8其他测试 ：

　　

转矩常数	¨ 利用以下公式算出转矩常数，即：KT=Tt/(Ir-Io)                  KT:额定转速常数（Nm/A)；Tt:额定转矩（Nm)；Ir：额定电流（A）；Io:空载电流（A）
相电阻	¨ 测量U-V,V-W,W-U的相间电阻，并将测量值转換为25℃的相电阻值,即：R=RT×(234.5 + 25 )/(234.5 + T)                          R：25℃时的换算电阻；Rt：电阳的测髭值 ；T：测量电阻时的温度；平均相电阻为(Ruv+Rvw+Rwu)/6
相电感	¨ LCR仪表频率为1kHz,输入电压为IV.测量U-V，V-W，W-U的相间电感，然后取平均值，得到相电感L=(Luv+Lvw+Lwu)/6连续测3次，得到3个平均值LI,L2,L3,于是测得相电感最终結果为L=(Ll+L2+L3)/3.
振动噪音测试	¨ 额定转速空载情况下测量电机在空载额定转速下离电机0.5米处的噪音。
齿槽扭矩	¨ 张力测控的齿槽转矩测试系统是一个独立的测试系统，用于控制和测量齿槽转矩和摩擦转矩。该测试系统包括一个精密减速电机，一个集成了脉冲编码器的微型扭矩传感器。从JT-500到JT-303有一个内置的安全离合器，以避免当系统不使用时的过载误操作。减速电机驱动被测电机在低速下运行，转速从1到10rpm可选， 同时获取与角度位置相关的齿槽转矩。扭矩测量范围最大为3N∙m （取决于选用的扭矩传感器量程）， 精度为0.01mN.m。Windows可执行软件控制系统并显示获得的数据。它提供精确的齿槽转矩峰值测量，并显示角度-扭 矩图或极坐标图以及FFT分析。该软件允许存储测量数据，并提供性能数据的比较，对比多达5个图形。软件可以载入历史数据生成齿槽转矩曲线，并自定义开始角度和结束角度。测试过程数据可保存为EXCEL文件或TXT文本文件。为了更好的精度和功能控制，该软件包括一个电机位置调整程序，以便校正（测试样机必须不连接到系统） 作为一个独立的系统，CTTS只需要220-240伏交流供电。USB接口可以直接连接设备到安装软件的PC机。它安装在一个带定位孔的底板上，电机夹具可以 安装在这个底板上。垂直安装支架可供选择，允许在垂直位置安装系统，特别推荐用于非常低的测量值。张力测控的齿槽转矩系统软件可以自定义测试的转向，无论是CW还是CCW还是双向检测，都可以通过软件自动完成测试。并根据设定的上下限来判定电机合格或不合格。
伺服刚度
轴伸径向圆跳动
转子转动惯量
绝缘电阻/漏电流
其他

　　应用领域： 伺服电机加载性能测试广泛应用于EPS电机，运动控制电机及派生产品的综合性能测试，已逐步推广至机器人及智能家居行业。