技术领域
[0001] 本
发明涉及
伺服电机测试技术领域，特别是涉及一种伺服电机测试数据实时采集系统及方法。
背景技术
[0002] 伺服电机作为工业自动化设备中的关键执行部件，其主要特点有高可靠性、高
精度、高功率
密度，被广泛应用于工业
机器人、数控机床等自动化设备中。近年来，随着我国工业自动化产业的迅猛发展，产业规模和市场空间不断壮大，为加快实现智能制造装备的创新发展和产业化，带动制造业转型升级，国内对伺服电机的测试技术有着迫切需求，并提出了更高要求。
[0003] 目前我国在伺服电机性能测试标准上等同延用国际标准，同时对应的检测设备也主要依赖进口国外设备，国产化的检测设备及检测能
力存在明显不足；传统伺服电机检测设备往往限于测量常规转速、转矩等参量以衡量其性能指标，这类参量不能全面掌握伺服电机的性能特性，并且无法在多
应力条件下实现测试数据的采集。因此设计一种伺服电机振动试验中的测试数据实时采集系统和方法，对于准确评估伺服电机的综合性能，实现多应力下的实时
数据采集，全方位地提高伺服电机测试技术，提升伺服电机产品性能
质量具有重要意义。
[0004] 现有的一种伺服电机多功能综合性能测试平台系统，主要包括被测电机、
传感器、转
角测量装置、惯量装置、加载电机。该系统可完成最大
电流、最大额定加载功率、额定转速、最高转速、最低转速、
扭矩等参数的测量。该测试平台系统响应速度快；测试平台上各装置的轴中心能自动对中；测试平台的电机安装
支架具有通用性和互换性，能快捷地安装不同规格的止口式、地脚式电机，止口式电机在电机支架上安装好后，能
自动调节与平台的传感器、加载设备的轴同心度。但该测试平台系统存在测试条件单一、测试功能不全面、数据采集滞后等缺点。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种伺服电机测试数据实时采集系统及方法，以克服
现有技术中存在的测试功能单一、数据不全面、数据采集滞后等缺点。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供了一种伺服电机测试数据实时采集系统，包括：采集控
制模块、
软件运算模块、环境试验箱、
振动台、振动台与环境试验箱
控制模块、负载电机、被测伺服电机、测试仪器以及传感器；其中，
[0007] 所述负载电机与所述被测伺服电机连接，用于为所述被测伺服电机提供外力负载；所述环境试验箱用于为所述被测伺服电机提供环境应力；所述振动台用于为所述伺服电机提供振动应力；所述振动台与环境试验箱控制模块用于控制所述环境试验箱和所述振动台；
[0008] 所述测试仪器与所述被测伺服电机连接，用于检测所述被测伺服电机的第一测试内容，并将检测得到的第一测试数据发送至所述采集控制模块；
[0009] 所述传感器与所述被测伺服电机连接，用于检测所述被测伺服电机的第二测试内容，并将检测得到的第二测试数据发送至所述采集控制模块；
[0010] 所述采集控制模块用于控制所述测试仪器和所述传感器进行所述第一测试内容和所述第二测试内容的测试，接收所述第一测试数据和所述第二测试数据，并将所接收的测试数据传输至所述软件运算模块；
[0011] 所述软件运算模块用于对接收到的测试数据进行运算分析处理，基于运算结果得到第三测试数据并进行实时存储和显示。
[0012] 优选地，所述采集系统还包括第一伺服
驱动器，所述第一伺服驱动器与所述被测伺服电机连接，对所述被测伺服电机进行控制驱动。
[0013] 优选地，所述采集系统还包括第二伺服驱动器，所述第二伺服驱动器与所述负载电机连接，用于对所述负载电机进行控制驱动。
[0014] 优选地，所述采集系统还包括
联轴器，所述负载电机通过所述联轴杆与所述被测伺服电机连接。
[0015] 优选地，所述采集控制模块包括机箱、
控制器和数据采集卡，所述控制器集成于所述机箱内，用于控制所述数据采集卡采集所述测试仪器和所述传感器发送的所述第一测试数据和所述第二测试数据。
[0016] 优选地，所述软件运算模块包括存储单元、分析单元、显示单元和人机操作单元。
[0017] 优选地，所述第一测试内容包括空载电流、空载
电压、空载功率、连续堵转转矩、峰值堵转转矩、额定功率、额定电压、PWM电量、绝缘
介电强度、绝缘
电阻、直流电阻、
定子线电阻、
匝间、电感、高温运行试验、低温运行试验、
温度循环试验、振动试验、恒定湿热试验、综合试验、恒定湿热试验、低温工作、高温工作、低温贮存、高温贮存、湿热试验。
[0018] 优选地，所述第二测试内容包括空载转速、摩擦转矩、
齿槽转矩、最小启动转矩、最小
制动转矩、温度变化、角度响应、速度响应、转矩变化的时间响应、
位置响应、故障辨识与预警。
[0019] 优选地，所述第三测试内容包括超速测试、额定转矩、最高转速、最高工作转速、T-N曲线、效率、
转子转动惯量、电气时间常数、静
摩擦力矩、额定扭矩、转矩
波动系数、
加速特性与减速特性、摩擦特性、转速波动、正反转与转差、反电动势常数、转矩常数、温升测试、热阻和热时间常数、耐久性试验。
[0020] 本发明还提供一种伺服电机测试数据实时采集方法，利用上述的伺服电机测试数据实时采集系统进行伺服电机测试数据的实时采集，其特征在于，所述方法包括以下数据采集方式：
[0021] 测试仪器采集，通过测量仪器对被测伺服电机的第一测试数据进行采集，并将数据实时收集汇总于软件运算模块；
[0022] 传感器采集，通过传感器对被测伺服电机的第二测试数据进行采集，并将数据实时收集汇总于软件运算模块；
[0023] 运算结果采集，通过软件运算模块对所收集的实时数据进行运算分析，得到第三测试数据并进行实时存储和显示。
[0024] 本发明的伺服电机测试数据实时采集系统及方法，解决了现有伺服电机性能测试平台功能单一、数据不全面的难题，利用采集控制模块、软件运算模块、测试仪器、传感器相结合，实现仪器采集、传感器采集、运算结果采集三种采集方式，有效地实现了伺服电机性能测试数据采集的实时性、全面性、高精确性。
附图说明
[0025] 下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
[0026] 图1为本发明一种实施方式的伺服电机测试数据实时采集系统的
框图。
[0027] [符号说明]
[0028] 1、采集控制模块；2、软件运算模块；3、环境试验箱；4、振动台；5、振动台与环境试验箱控制模块；6、第一伺服驱动器；7、被测伺服电机；8、负载电机；9、第二伺服驱动器；10、测试仪器；11、传感器；12、联轴器。
具体实施方式
[0029] 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
[0030] 本发明一种实施方式的伺服电机测试数据实时采集系统包括采集控制模块1、软件运算模块2、环境试验箱3、振动台4、振动台与环境试验箱控制模块5、被测伺服电机7、负载电机8、各类测试仪器(进行各种安规测试、性能测试等)10以及各类传感器(检测温度、振动、噪声、力矩、转速等)11。
[0031] 该采集系统还可以包括第一伺服驱动器6，第一伺服驱动器6通过控制线连接被测伺服电机7，可以控制驱动被测伺服电机7转动。被测伺服电机7为测试试验样机，第一伺服驱动器6与被测伺服电机7均放置于环境试验箱3内。
[0032] 环境试验箱3用于模拟外部环境变化，可施加温度和湿度的环境应力。环境试验箱3包括高温试验箱、低温试验箱、高低温交变循环试验箱、高低温湿热试验箱、以及高低温交变湿热箱等。环境试验箱3的底部装有振动台4，被测伺服电机7位于振动台4的
台面上方，振动台4用于模拟振动环境，可以对上方的被测伺服电机7施加振动应力；环境试验箱3和振动台4受控于外部独立的振动台与环境试验箱控制模块5。
[0033] 测试仪器10与被测伺服电机7连接，用于检测被测伺服电机7的第一测试内容(下文详述)，并将检测得到的第一测试数据(下文详述)发送至采集控制模块1。
[0034] 在环境试验箱3内和被测伺服电机7周围分布有各类传感器11，这些传感器11可以实时读取被测伺服电机7的相关数据参数，并将这些数据实时发送至采集控制模块1。
[0035] 该采集系统还可以包括联轴器12，负载电机8通过联轴器12与被测伺服电机7相连，其作用是在一些测试内容中，模拟外力负载，如堵转试验、减速试验等。另外，该采集系统还可以包括第二伺服驱动器9，第二伺服驱动器9与负载电机8连接，用于对负载电机8进行控制驱动。
[0036] 采集控制模块包括机箱、控制器和各类数据采集卡。
[0037] 所述机箱可以采用NI PXIe-1078集成仪器机箱。NI PXIe-1078集成仪器机箱具有1个能将PCI Express(PCI(Peripheral Component Interconnection，外围组件互连))连接集成至各个插槽的
背板，可满足各种测试和测量应用的需求。它每个插槽中都接受PXI Express模块(PXI(PCI extensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展))，并通过最多5个插槽支持可兼容标准PXI混合总线的模块。机箱纳入内置定时与同步特性，包括：10MHz与100MHz参考时钟以及PXI触发总线。
[0038] 所述控制器可以采用PXIe-8821控制器。PXIe-8821控制器可以集成于NI PXIe-1078机箱中，可免去使用工控机的笨重繁杂操作，同时实现更良好的数据连接与同步，PXIe-8821控制器专为测试与测量应用而设计，搭载了2.6GHz Intel Core i3-4110E双核心处理器，最高可提供2GB/s系统带宽，由于嵌入式控制器具备工业评级性能、外形小巧与生命周期管理完善等优点，是在恶劣工作环境中长久布署PXI系统的理想选择。
[0039] 所述数据采集卡可以采用NI PXIe-6363 X系列数据采集卡、NI PXIe-4353 24bit，32通道数据采集卡、NI PXI-4462 4数据采集卡等型号规格，一部分数据采集卡可搭配采集不同的传感器11传出的数据
信号，另一部分数据采集卡可搭配采集不同的测试仪器
10传出的数据信号。
[0040] 软件运算模块2可以是具有存储单元、分析单元、显示单元、人机操作单元的
计算机系统，可将收集的数据实时存储和显示，并且通过内置
算法分析计算
整理这些数据，并实时显示在
人机交互界面上，测试人员也可以通过软件
操作系统对第一伺服驱动器6和第二伺服驱动器9进行控制用于完成各类试验目标。
[0041] 本发明上述实施方式的伺服电机测试数据实时采集系统形成闭环连接，可通过测试仪器采集、传感器采集、运算结果采集三大类采集方式采集多达44项性能数据、12项环境试验数据、3项故障辨识与预警。
[0042] 一、测试仪器采集
[0043] 该类采集方式通过各类测试仪器10来对被测伺服电机7实施测试，并将测试数据(对应于第一测试数据)反馈至采集控制模块1。测试仪器10包括三相\单相电参数测量仪、功率计、绝缘电阻测试仪、LCR测量仪等等。
[0044] 通过该类采集方式进行数据采集的测试内容(对应于第一测试内容)有空载电流、空载电压、空载功率、连续堵转转矩、峰值堵转转矩、额定功率、额定电压、PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)电量、绝缘介电强度、绝缘电阻、直流电阻、定子线电阻、匝间、电感、高温运行试验、低温运行试验、温度循环试验、振动试验、恒定湿热试验、综合试验、恒定湿热试验、低温工作、高温工作、低温贮存、高温贮存、湿热试验，共计26项试验内容。
[0045] 选取三项典型的使用测试仪器采集方式测试的内容进行详细阐述。
[0046] 1、空载功率：断开负载电机8的联轴器12，使被测伺服电机7单独空载运行，待被测伺服电机7运行稳定后，开启横河WT333功率计，不同功率的被测伺服电机7具有不一样的输出电流，为了满足更多功率的电机的测试，可搭配使用电流互感器横河CT60、CT100，测试完成后将功率数据传送至采集控制模块1的数据采集卡，然后采集控制模块1将数据发送至软件运算模块2存储和显示。
[0047] 2、绝缘电阻：要求在正常或专用技术条件规定的低温试验条件下，使用绝缘电阻测试仪测试，电机导电部分对机壳之间的绝缘电阻应不小于50MΩ；在相应高温条件下绝缘电阻应不小于10MΩ；恒定湿热试验时绝缘电阻应不小于1MΩ。该方法可开启温度箱，使被测伺服电机7处于上述一种温度湿度环境下，稳定运行后，开启交直流耐压绝缘测试仪-同惠TH9110，该仪器可短接被测伺服电机7的UVW三相线，相对于电机
外壳通过一定时间的高压，测试其电流，计算出绝缘电阻；测试完成后将功率数据传送至采集控制模块1的数据采集卡，进而采集控制模块1将数据发送至软件运算模块2存储和显示。
[0048] 3、恒定湿热试验：使用高低温湿热试验箱进行试验，要求被测伺服电机7能承受严酷等级为温度(40±2)℃、
相对湿度为90％-95％、历时4d的恒定湿热试验，试验后在箱内测其绝缘电阻应不小于1MΩ，检查外观应无明显质量变坏及影响工作的锈蚀现象；在试验过程中高低温湿热试验箱会将箱内温度与湿度变化曲线发送至采集控制模块1，采集控制模块1将数据发送至软件运算模块2存储和显示。
[0049] 二、传感器采集
[0050] 该类采集方式通过在被测伺服电机7周围布置传感器11对其进行性能数据监测，不同的传感器11搭配不同型号规格的数据采集卡进行数据采集，将最终实时数据(对应于第二测试数据)发送至采集控制模块1。传感器11包括温度传感器、振动传感器、噪声传感器、扭矩传感器、
热电偶传感器、加速度传感器等等。通过该类方式进行数据采集的测试内容(对应于第二测试内容)有空载转速、摩擦转矩、齿槽转矩、最小启动转矩、最小制动转矩、温度变化、角度响应、速度响应、转矩变化的时间响应、位置响应、故障辨识与预警(振动辨识与预警、噪声辨识与预警、温度辨识与预警)，共计13项试验内容。
[0051] 选取三项典型的使用传感器采集方式测试的内容进行详细阐述。
[0052] 1、最小启动转矩：先断开负载电机8的联轴器12，使被测伺服电机7工作在扭矩模式下并速度限制不为0，缓慢增加扭矩使得被测伺服电机7开始转动的扭矩即为最小启动转矩，通过扭力传感器采集数据，Burster 8661系列扭力传感器搭配NI PXIe-6363 X系列数据采集卡，将扭矩数据实时发送至采集控制模块1，采集控制模块1将数据发送至软件运算模块2存储、分析、显示。
[0053] 2、温度变化：使用高低温湿热试验箱进行测试，通过在被测伺服电机7表面关键部位布置热电偶传感器，监测其表面温度变化，要求电机能承受(-55℃-85℃)的温度变化试验，
轴承油脂不得外溢，零部件不应产生有害
变形。热电偶传感器实时监测被测伺服电机7的温度变化数据，搭配热电偶采集卡可将实时数据发送至采集控制模块1，采集控制模块1将数据发送至软件运算模块2存储、分析、显示。
[0054] 3、故障辨识与预警：分为振动辨识与预警、噪声辨识与预警、温度辨识与预警。使用耐高温加速度传感器、
传声器、热电偶，搭配数据采集卡。采集控制模块1将数据发送至软件运算模块2进行分析，在软件运算模块2中设置振动、噪声、温度的相应故障与报警
阈值，一旦超过阈值或产生故障信号，则启动报警、系统停止等操作。
[0055] 三、运算结果采集
[0056] 该类采集方式通过由采集控制模块1提供的各类实时数据，运用软件运算模块2中编写的固有算法程序，实现公式与图线计算，并将计算结果数据(对应于第三测试数据)实时存储、显示。通过该类方式进行数据采集的测试内容(对应于第三测试内容)有超速测试、额定转矩、最高转速、最高工作转速、T-N曲线、效率、转子转动惯量、电气时间常数、静摩擦力矩、额定扭矩、转矩波动系数、加速特性与减速特性、摩擦特性、转速波动、正反转与转差、反电动势常数、转矩常数、温升测试、热阻和热时间常数、耐久性试验，共计20项试验内容。
[0057] 选取三项典型的使用运算结果采集方式测试的内容进行详细阐述。
[0058] 1、最高转速：根据测试标准要求，其测试原理为将被测伺服电机7固定在标准支架上并和伺服驱动器组成伺服装置，试验环境应不受外界
辐射和气流影响，在伺服驱动器中输入额定转速指令，然后逐渐增加负载到额定值，在电机热分级为F级绝缘结构绕组的温升(电阻法测定)不超过105K(B级绝缘结构绕组不超过80K)的条件下，此时测量电机的转速值即为最高转速，其值应符合专用技术标准(或设计)规定。使被测伺服电机7输出比电机额定转速更高的转速动力，使得电机工作在超速状态下，改变其驱动
频率，直到电机转速不再上升为止，为最高转速(额定转速)。
[0059] 测试方法：使用软件运算模块2中的CAN(Controller Area Network，
控制器局域网络)通信功能，控制被测伺服电机7的工作方式，配合数据采集卡实现数据采集功能，最终将采集数据反馈至软件运算模块2进行数据分析与曲线拟合。
[0060] 1)使用CAN通信功能控制负载电机8的驱动器输出扭力为0N，同时取消第二伺服驱动器9的速度限制、过载限制、
母线过压限制。
[0061] 2)使用CAN通信功能控制被测伺服电机7不断的输出高速度指令，并通过反馈信息判断被测伺服电机7是否停止升速，此时即为最高转速。
[0062] 3)通过数据采集卡的采集功能，测试得到被测伺服电机7超速状态的各参数数据，将这些数据发送至软件运算模块2，软件运算模块2拟合参数曲线，分析曲线数据得到最高转速，以及在最高转速下的各参数值。
[0063] 2、加速特性与减速特性：控制负载电机8工作在扭矩模式下输出一定扭矩，被测伺服电机7转速从0开始加速到额定转速，采集控制模块1将加速过程的数据发送至软件运算模块2，软件运算模块2记录从开始到结束的转速处理分析得到加速特性曲线；控制负载电机8输出一定的扭矩，被测伺服电机7工作在速度模式并以额定转速旋转，停止被测伺服电机7转动，当被测伺服电机7转速从额定转速停止到0速时，采集整个过程的数据，将这些数据发送至软件运算模块2，软件运算模块2通过运算分析处理得到转速变化曲线，拟合后形成减速特性曲线。
[0064] 3、温升测试：要求试验环境不应受外界辐射和气流影响，被测伺服电机7的安装面应尽可能远离热传导表面和通
风装置以及其他附加的降温装置，被测伺服电机7在室温下放置并达到不通电时的稳定温度。通过电阻测试仪器测量冷态时被测伺服电机7的定子绕组电阻R1，使用采集控制模块1将电阻R1发送至软件运算模块2记录，同时软件运算模块2记下此时的室温t1，然后在额定功率点运行至稳定
工作温度，再次测量定子绕组电阻R2，通过软件运算模块2记下此时绕组的温度t2，最后软件运算模块2通过公式程序计算温升θ(单位为K)：
[0065]
[0066] 综上所述，本发明可结合多项国家标准，如GB/T 30549-2014、GB 755-2008、GB/T 7345-2008、GJB 899-90等，提供一种伺服电机测试数据实时采集系统及方法，可实现在多种环境应力同时存在的条件下，通过测试仪器采集、传感器采集、运算结果采集三大类采集方式，实现可达44项性能数据、12项环境试验数据、3项故障辨识与预警的试验功能，并将采集的数据实时发送汇总至软件运算模块2，实时显示在人机交互界面上，便于实时数据的记录与分析，简单有效地实现了测试功能，具有推广价值。
[0067] 以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性
实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明
权利要求保护范围的限制。
