大功率伺服控制器测试设备设计方案

1、项目简介：

        大功率伺服控制器测试设备用于对起竖控制器（20kW）、调平控制器（10kW）的电气性能进行测试，在试验室条件下对起竖控制器与调平控制器是否满足大吨位快速垂直起竖与调平的要求进行验证。

2、项目技术指标：

           项目需求：

       此项目应该达到以下技术需求：
       1.模拟起竖、调平过程中负载变化的实际工况对起竖电机、调平电机进行加载。
       2.模拟上位控制设备向起竖控制器、调平控制器发送控制指令，指令形式包括CAN总线通信、差分脉冲及开关量。
       3.模拟上位控制设备接收起竖控制器、调平控制器的反馈信号，信号形式包括CAN总线通信及开关量。
       4.对起竖控制器、调平控制器运行过程中的各项参数进行测量，如效率、输出功率、功率因数（交流侧）、正反转速差、转速调整率、转速变化响应时间、位置跟踪误差等。
       5.电机加载与起竖控制器、调平控制器的测试、测量过程由自动化测控软件完成。
       6.测试数据经自动化测控软件处理后可得到表征起竖控制器、调平控制器性能的各项参数。

           项目技术指标

       此项目应该达到技术指标：
       1.可按规定曲线对电机进行动态加载，要求起竖电机加载额定转矩100N•m、最大转矩315N•m，调平电机加载额定转矩45N•m、最大转矩63N•m；转速达到2000rpm。
       2.可对起竖电机、调平电机的输出转矩、转速进行测量，转矩测量最大值不小于315N•m，系统转矩测量精度达到±0.2%；转速测量最大值不小于2000rpm，转速测量精度达到±0.1%。
       3.电机加载额定转矩控制精度不低于±0.5N•m；转速控制精度不低于±0.1%。
       4.可对起竖电机、调平电机输出轴的转动角度进行测量，角度测量误差不大于30’。
       5.可通过CAN总线接口对起竖控制器、调平控制器进行控制，要求具有至少10路CAN总线接口，支持CAN2.0A/B标准，速度可达1Mbps，并设置120Ω总线终端负载电阻（连接、断开状态可设置）。
       6.可通过差分脉冲接口对起竖控制器、调平控制器进行控制，要求具有至少4组、共8路差分脉冲信号，脉冲幅值±5V，脉冲频率0~35kHz连续可调，每路可输        出电流不小于20mA。
       7.可通过开关量输出接口对起竖控制器、调平控制器进行控制，要求具有至少32路开关量输出信号，均为低电平有效，高电平为28.5V，每路可输出电流不小于50mA（阻性负载）。
       8.可通过开关量输入接口接收起竖控制器、调平控制器的反馈信号，要求具有至少48路开关量输入信号，均为低电平有效，高电平为28.5V，每路输入所需电流不大于50mA（阻性负载）。
       9.可对起竖电机、调平电机带载情况下系统参数进行采集，包括电机输出转矩、电机转速、伺服控制器输入/输出功率、电机输出轴转动角度等。
       10.大功率电源：输入电压3Φ380VAC/50Hz，输出直流电压可调，最大不小于600VDC，输出电流不小于100A。

3、设计方案:

       设计原则:
       在满足项目需求和技术指标的前提下，本设计方案遵循以下几点原则：
       1) 自动化程度高；
       2) 可扩展、模块化、通用性好；
       3) 操作简单，拆卸方便；

           测试系统整体结构:

       大功率伺服控制器测试设备由测试控制柜、加载台和大功率电源组成，如图1所示。测试控制柜用于为伺服控制器及加载设备提供控制信号，同时采集系统运行状态数据，对伺服控制器性能指标进行测量、分析；加载台用于安装电机、传感器及加载设备，并实现对电机的动态加载；大功率电源用于为伺服控制器提供动力电源。
测试系统结构组成效果图如下：

       加载台设计数量为2套，为了满足私服控制器进行双路输出的测试要求。整个区域的面积为3m X 5m。

       机柜从上之下依次为：功率分析仪、19寸显示器、机箱、鼠标键盘组合、信号调理箱、控制电源。

           功率分析仪:

       广州致远电子企业级高精度功率分析仪PA6000,是广州致远电子推出的高精度高性价比的企业级功率分析仪。具有7个通道，其中一个通道可以配置为电机专用通道。

           机箱:

       考虑到本项目所用板卡数量较多，选择了18槽的PCI机箱。

           信号调理箱:

       信号调理箱的前面板主要有CAN接口、数字量输入输出接口、模拟量输入输出接口、脉冲输出接口、电源开关和指示灯等。为本公司定制产品。

           CAN卡:

           差分脉冲卡:

       差分脉冲卡采用PCI总线，具体参数：

           I/0卡:

           驱动器电源:

       大功率直流电源采用国外品牌Genesys。Genesys系列大功率直流电源供应器是为了工业应用而专门研制的高性能直流电源供应器，本系列产品具有高准确性、高精确度、高稳定性等优良电子特性。是研究单位、实验室作为可调直流电源或生产线作为产品寿命测试电源的最好选择，本系列产品设计有完善的过电压、过温度保护线路，产品的可靠性行更高。本系列产品只安装有电压调节和电流调节装置，更能满足操作者简单、方便的简单需求。

           加载电机:

       加载电机采用直流伺服电机。伺服电机具有快速响应的特点。实现精确的定位，可以达到0.001mm，出力大。

           加载电机驱动器:

       伺服控制器选用施耐德品牌。
       > 大功率范围：从0.9kw至42.5kw，单相或者三相
       > 扭矩从0.18至90Nm，2种类型的电机可以满足所有应用和装配要求
       ●高性能，无需任何附件
       > 动态的结合：新的静点绕线技术，快速控制环路响应
       > 集成所有功能：EMC，CANopen
       > 集成安全功能：电源切除
       ●很多不同的接口选择，可以满足所有结构
       > 可以连接：很多可能，编码器接口，I/O接口，脉冲方向……
       > 可以通讯：适应很多种通讯总线
       ●简单、智能
       > 通过Unilink软件，易于编程调试
       > 易于安装、接线：并排放置，紧凑，已有连接线
       > 易于起动：由于有了SinCos Hiperface编码器

           扭矩转速测量:

       ZH07-B型传感器除了具有标准ZH07-A型传感器检测转速转矩外，最大的特点就是能够测量旋转角度，传感器制作能保证精度，内置合适的读出部件。

           安装平台:

       试验电机和测功机加载装置安装在铸铁平台上，驱动电机运转过程中的振动可以由铸铁平台吸收。为了降低试验台因高速旋转带来的震动等，在试验所需的平板下加装6个减震垫。铸铁平台上设计有T型槽，便于驱动电机支座、测功机支座及转矩转速传感器支座的固定通过参考用户提供的试验电机的外形尺寸，本试验台中铸铁平板的尺寸为： 1.5m×0.8m×0.25m（长×宽×厚）。

4、测试方法:

       1)被测系统中电机先运行在规定的转速，此时加载电机作为发电机运行，所产生的能量通过4象限运行变频器回馈至电网。
       2)根据规定曲线，加载电机进行加载。由于加载电机的额定转速为2965r/min，所以在不超过额定转速以下，是恒转矩输出。
       3)数据采集采集和监控。

5、软件设计框架:

上位机程序通过CAN卡、脉冲卡、I/O卡向伺服控制器发送控制指令，使被测控制器响应。加载电机驱动器接收上位机指令，进行加载动作。转矩、转速、角度等参数通过数据采集设备上传至上位机程序，进行处理和保存等相关动作。

6、上位机组态:

       上位机软件采用组态技术。MCGS是一种图形化的编程的组态开发环境，它广泛地被工业控制、运动控制和研究实验室所接受，视为一个快速的工业控制和数据采集技术。MCGS集成了与满足 RS-232和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的控制系统，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

7、注意事项:

       （1）测试时，人员不得站在旋转面重和的位置。
       （2）测试时，变频器最大电流设置值应和加载电机型号匹配。
       （3）变频器严格接地，电气柜外壳严格接地。

8、其他说明:

           安装条件

       1.加载台上旋转部件外围应安装防护罩；
       2.加载台上须设置接地点，保证加载台能够可靠接地；
       3.应具有必要的安全警示和防护措施，以确保操作人员安全；

           工作环境

       工作温度：0℃~+45℃。贮存温度：-20℃~+50℃。

           安全性

       加载台上旋转部件外围应安装防护罩；加载台上须设置接地点，保证加载台能够      可靠接地；应具有必要的安全警示和防护措施，以确保操作人员安全。

           可靠性
       连续通电时间不小于96h。

           保障性
       提供全套图纸和设计文件。

           维修性
       维修不需专用工具，组成模块可快速拆装，具有软件升级能力。

           测试性
       具有上电自检及故障定位功能。