CN108917912B - 驱动器机械谐振的检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驱动器机械谐振的检测系统，包括：第一伺服电机、第一伺服电机驱动器、皮带传动机构；第一伺服电机驱动器与第一伺服电机电连接；第一伺服电机与待测电机通过皮带传动机构传动连接。本发明采用传动皮带传动，有效扩大了对电机的振动频率的测量范围。本发明以标准零部件构成，降低了成本。并且，本发明还提供了精度测量电机的谐振频率、谐振抑制效果的技术方案，提高了测量的精度。

Description

驱动器机械谐振的检测系统

技术领域

本发明属于电机振动检测技术领域，尤其涉及一种驱动器机械谐振的检测系统。

背景技术

目前交流伺服驱动系统在工业自动化领域得到了越来越多的应用，在实际使用中为了将电机与负载连接起来，无疑要加入一些中间机械传动环节，如联轴器、减速器、传动轴、传动带等等。可是所加的这些中间机械传动环节不是理想的纯刚性体，都有着一定的弹性，特别在中间传动轴或传动带较长的情况下，其受力产生的弹性变形不能被忽略，当伺服电机的工作频率与机械传动系统的固有频率相同或相近时，在电机运转过程中就会发生机械谐振。谐振发生时不仅会产生噪声污染，还会对伺服驱动系统中间的机械传动环节造成严重的损害，严重时可能会发生断轴等事故，严重影响机械传动环节的使用寿命。另外，机械谐振的发生还会导致伺服控制系统中的控制量产生振荡，进而影响到整个伺服系统的稳定性以及可调整性。因此，对机械谐振的研究及对其的抑制方法已经成为提高伺服驱动系统性能的一个重要研究方向。

为了抑制伺服驱动系统机械谐振的发生，国内外许多伺服驱动器厂家采用各类算法，相继开发出了具有抑制伺服系统机械谐振功能的驱动器。由于算法、技术水平不同，不同品牌的伺服驱动器对伺服系统机械谐振的抑制效果也有明显差异。对于伺服驱动器谐振抑制的定量测量，业界内还没有一套完整通用的测试平台，目前只有部分不完备的测试平台专利存在，如哈尔滨工业大学徐殿国团队申请的“交流永磁伺服系统机械谐振抑制功能测试平台”专利，珠海格力电器股份有限公司申请的“伺服驱动器振动抑制功能测试系统”专利。以哈工大申请的测试平台专利为例，该平台由测试电机、刚性联轴器、细长传动轴、刚性联轴器、惯量盘、加载电机串联构成，通过更换不同轴径的中间细长传动轴，以及添加不同数量的惯量盘来改变整套系统的谐振频率点，进而检测被测驱动器对不同谐振频率点的抑制效果。由于该平台采用刚度很大的合金钢传动轴来连接测试电机与加载电机，使得该平台的机械谐振频率点较高，因而该平台只能模拟高频段的机械谐振抑制效果，对低频率段的机械谐振抑制则无法实现检测。并且，该平台使用了较多的非标零部件，使得该平台制作成本较高、安装使用不便。检测精度低、检测范围窄、不直观、通用性差、不便推广应用。同时也为了能对不同品牌伺服驱动器的这个高级功能进行对比分析，方便用户对各品牌伺服驱动器的选型，便于国家对交流伺服驱动器行业相关标准的制定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术中的伺服电机的振动检测的设备的检测频率范围较窄的缺陷，提供一种驱动器机械谐振的检测系统。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

一种驱动器机械谐振的检测系统，其特征在于，包括：第一伺服电机、第一伺服电机驱动器、皮带传动机构；

第一伺服电机驱动器与第一伺服电机电连接；

第一伺服电机与待测电机通过皮带传动机构传动连接。

较佳地，皮带传动机构包括传动皮带、第一带轮、第二带轮、第一刚性联轴器、第二刚性联轴器；

传动皮带跨接第一带轮和第二带轮；

第一带轮与第一刚性联轴器的一端连接，第一刚性联轴器的另一端与第一伺服电机的输出轴连接；

第二带轮与第二刚性联轴器的一端连接，第二刚性联轴器的另一端与待测电机的输出轴连接。

较佳地，皮带传动机构还包括第一带轮支架、第二带轮支架；第一带轮设置于第一带轮支架上，第二带轮设置于第二带轮支架上；检测系统还包括底座，底座上设置有滑道，第一带轮支架和第二带轮支架设置于底座上，滑道用于供第一带轮支架和第二带轮支架滑动，以调节第一带轮与第二带轮的中心距。

较佳地，检测系统还包括位移测量装置，位移测量装置用于按照预设采样频率测量传动皮带在竖直方向上的位移。

较佳地，位移测量装置为激光位移传感器，激光位移传感器的发射的光束垂直于皮带平面，激光位移传感器设置于传动皮带的正上方或正下方。

较佳地，激光位移传感器与第一带轮的中心的距离和激光位移传感器与第二带轮的中心的距离相等。

较佳地，检测系统还包括增量式光电编码器，增量式光电编码器设置于第二带轮的伸出轴上，增量式光电编码器用于测量第二带轮的转速。

较佳地，驱动器机械谐振的检测系统还包括数据采集卡，数据采集卡分别与位移测量装置、增量式光电编码器通信连接；

位移测量装置还用于向数据采集卡传输位移，增量式光电编码器还用于向数据采集卡传输转速；数据采集卡用于使用预设采样频率和位移进行计算以得到传动皮带的振动频率、振动幅值。

较佳地，位移测量装置还用于在谐振抑制模式下按照预设采样频率测量传动皮带在竖直方向上的位移，增量式光电编码器还用于在谐振抑制模式下测量第二带轮的转速，谐振抑制模式为开启待测电机的驱动器的谐振抑制功能后的测试模式；

位移测量装置还用于向数据采集卡传输谐振抑制模式下的位移，增量式光电编码器还用于向数据采集卡传输谐振抑制模式下的转速；

数据采集卡还用于根据预设采样频率和谐振抑制模式下的位移计算传动皮带的谐振抑制模式下的振动频率、谐振抑制模式下的振动幅值；

数据采集卡还用于计算频率差值、幅值差值，频率差值为振动频率与谐振抑制模式下的振动频率的差值，幅值差值为振动幅值与谐振抑制模式下的振动幅值的差值。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的驱动器机械谐振的检测系统中测试电机与加载电机之间采用传动皮带传动，有效扩大了对电机的振动频率的测量范围。另外，本发明提供的检测系统采用标准零部件构成，降低了成本。进一步地，本发明还提供了精度测量电机的谐振频率、谐振抑制效果的技术方案，提高了测量的精度。

附图说明

图1为本发明的一较佳实施例的驱动器机械谐振的检测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面通过一较佳实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

本实施例提供一种驱动器机械谐振的检测系统，如图1所示，该驱动器机械谐振的检测系统包括：第一伺服电机18、第一伺服电机驱动器19、皮带传动机构；皮带传动机构包括传动皮带12；第一伺服电机驱动器与第一伺服电机18电连接；第一伺服电机18与待测电机8通过皮带传动机构传动连接。待测电机的驱动器9与待测电机8电连接。传动皮带12在传动过程中发生振动，传动皮带12的振动反映待测电机8引起的振动。

具体实施时，参照图1，皮带传动机构还包括第一带轮14、第二带轮3、第一刚性联轴器16、第二刚性联轴器5；传动皮带12跨接第一带轮14和第二带轮3；第一带轮14与第一刚性联轴器16的一端连接，第一刚性联轴器16的另一端与第一伺服电机18的输出轴连接；第二带轮3与第二刚性联轴器5的一端连接，第二刚性联轴器5的另一端与待测电机8的输出轴连接。皮带传动机构还包括第一深沟球轴承(图中未示出)、第二深沟球轴承(图中未示出)、第一带轮支架15、第二带轮支架11；第一带轮14通过第一深沟球轴承设置于第一带轮支架15上，第一带轮14的伸出轴穿过第一深沟球轴承与第一刚性联轴器16的一端连接；第二带轮3通过第二深沟球轴承设置于第二带轮支架11上，第二带轮3的伸出轴穿过第二深沟球轴承与第二刚性联轴器的一端连接。

使用本实施例的检测系统检测待测电机的振动状况时，启动第一伺服电机18和第一伺服电机驱动器19，并启动待测电机的驱动器9和待测电机8，第一伺服电机18与待测电机8通过皮带传动机构传动。当发生谐振时，传动皮带12的振幅达到最大。用户通过观察传动皮带12的振动状况评估待测电机8引起的振动的状况。如果将待测电机8分别更换为多个不同厂商或不同型号的电机，分别进行检测，每次检测时，对第一伺服电机18的设置均相同(相同的转速、相同的输出功率等)。另外，在检测的过程中，还可以再开启待测电机的驱动器9的谐振抑制功能(其他设置不改变)。用户可以观察谐振抑制功能开启前后，传动皮带12振动状况的变化，例如，振幅减小的程度，以评估待测电机的驱动器9的谐振抑制功能是否起效，以及谐振抑制功能的优劣。

参照图1，该检测系统还包括底座10，底座10上设置有滑道20，第一带轮支架15和第二带轮支架11设置于底座10上，滑道用于供第一带轮支架15和第二带轮支架11滑动，以调节第一带轮14与第二带轮3的中心距。将第一带轮支架15和第二带轮支架11分别沿滑道20向底座10的边缘滑动，可以将第一带轮14与第二带轮3的中心距增大，更换尺寸匹配的传动皮带12，可以改变该检测系统的机械谐振的频率点，从而实现对更大频率范围的覆盖。

为了保持第一伺服电机18的输出轴与第一刚性联轴器16、第一带轮14的伸出轴处于同一水平线上，该检测系统还包括第一电机支架17。第一伺服电机18设置于第一电机支架17上，第一电机支架17设置于底座10上。类似地，待测电机8设置于第二电机支架7上，第二电机支架7设置于底座10上。在调节第一带轮14与第二带轮3的中心距时，第一电机支架17和第二电机支架7也在相应的滑道上滑动调节。调节到位后，使用螺栓将第一电机支架17、第二电机支架、第一带轮支架15和第二带轮支架11均固定于底座10上。

为了实现精确的检测，参照图1，检测系统还包括位移测量装置，位移测量装置用于按照预设采样频率测量传动皮带12在竖直方向上的位移。本实施例中，位移测量装置为激光位移传感器6(例如，市售的高精度CCD(电容耦合器件)激光位移传感器)，激光位移传感器6设置于传感器支撑板13上，传感器支撑板13设置于底座10上。激光位移传感器6位于传动皮带12的正上方，激光位移传感器的出光孔位于传动皮带12正上方400毫米处，并朝向传动皮带12，激光位移传感器的发射的光束垂直于皮带平面(即传动皮带处于紧张状态时所处的水平面)。在传动皮带12振动的过程中，激光位移传感器按照预设采样频率检测传动皮带12在竖直方向上的位移数据。在本发明的其他可选的实施方式中，激光位移传感器设置于传动皮带的正下方。

根据研究实验，传动皮带12的中心位置，即传动皮带12上距离第一带轮14的中心的距离和激光位移传感器与第二带轮3的中心的距离相等的位置，其振动幅度最大，最易于检测，有助于提高检测精度。因此，参照图1，激光位移传感器6设置的位置与第一带轮14的中心的距离和激光位移传感器与第二带轮3的中心的距离相等。

为了提高检测精度，该检测系统还包括增量式光电编码器4，增量式光电编码器4设置于第二带轮3的伸出轴上，增量式光电编码器4用于测量第二带轮3的转速。

参照图1，该驱动器机械谐振的检测系统还包括数据采集卡1，数据采集卡1分别与位移测量装置、增量式光电编码器4通信连接；位移测量装置还用于向数据采集卡1传输位移，增量式光电编码器4还用于向数据采集卡1传输转速；数据采集卡1用于根据预设采样频率和位移进行快速傅里叶变换以得到传动皮带12的振动频率、振动幅值。数据采集卡1可以计算得到传动皮带12的振动位移曲线波形图、振动幅值、振动频率等信息，以及待测电机8的转速(即第二带轮3的转速)变化曲线，还可对传动皮带12的振动曲线进行频谱分析，得到更多详细信息，最后可将这些信息通过工作站2的显示器直观、清晰地展现出来。

本实施例的驱动器机械谐振的检测系统还可以用于检测待测电机的驱动器9的谐振抑制效果。检测时，首先关闭检测待测电机的驱动器9的谐振抑制功能，开启第一伺服电机18和待测电机8，第一伺服电机18与待测电机8通过皮带传动机构传动连接。传动皮带12在传动过程中产生振动，激光位移传感器6按照预设采样频率检测传动皮带12在竖直方向上的位移数据，数据采集卡1根据预设采样频率和位移数据，计算得到传动皮带12的振动位移曲线波形图、振动幅值、振动频率等信息，以及待测电机8的转速(即第二带轮3的转速)变化曲线。当传动皮带12的振动幅值达到最大时，说明发生机械谐振。此时，开启检测待测电机的驱动器9的谐振抑制功能其他设置不变(即谐振抑制模式)。位移测量装置在谐振抑制模式下按照预设采样频率测量传动皮带12在竖直方向上的位移，增量式光电编码器4在谐振抑制模式下测量第二带轮3的转速；位移测量装置向数据采集卡1传输谐振抑制模式下的位移，增量式光电编码器4向数据采集卡1传输谐振抑制模式下的转速；数据采集卡1根据预设采样频率和谐振抑制模式下的位移计算传动皮带12的谐振抑制模式下的振动频率、谐振抑制模式下的振动幅值，并计算得到传动皮带12的振动位移曲线波形图，以及待测电机8在谐振抑制模式下的转速(即第二带轮3的转速)变化曲线。数据采集卡将传动皮带12的谐振抑制模式下的振动频率与未开启谐振抑制功能时的振动频率相对比，计算频率差值，即振动频率与谐振抑制模式下的振动频率的差值；还将谐振抑制模式下的振动幅值与未开启谐振抑制功能时的振动幅值相对比，计算幅值差值，即振动幅值与谐振抑制模式下的振动幅值的差值。数据采集卡还将待测电机8在谐振抑制模式下的转速与未开启谐振抑制功能时的转速相对比，计算谐振抑制模式下的转速与未开启谐振抑制功能时的转速的差值。通过上述差值，即可评估待测电机的驱动器9的谐振抑制功能的强弱。

同样地，通过调节第一带轮14与第二带轮3的中心距，并更换尺寸合适的传动皮带12，可以检测待测电机的驱动器9在不同的谐振频率下的谐振抑制功能。

本实施例的驱动器机械谐振的检测系统将第一伺服电机(通常称为驱动电机)和待测电机(通常称为加载电机)之间通过传动皮带传动连接，以此来模拟实际工况下交流伺服系统中间的非刚性机械传动环节。由于传动皮带传动的柔性比实际工况下伺服系统中间机械环节如合金钢传动轴、减速器等的柔性要大得多，在驱动电机运转过程中，传动皮带的振动量要比实际工况下合金钢传动轴、减速器等的要大，若被测驱动器(待测电机的驱动器)具有机械谐振抑制功能，则利用本实施例的驱动器机械谐振的检测系统，可将抑制效果直观的展现出来。通过调节两带轮之间的中心距并更换相应尺寸的传动皮带，通过加载电机给本实施例的驱动器机械谐振的检测系统施加不同的扭矩负载，可以改变本实施例的驱动器机械谐振的检测系统的机械谐振频率点，从而可以检测被测驱动器(待测电机的驱动器)对不同频率的谐振点抑制效果。

传动皮带中心正上方安装有高精度的激光位移传感器，测量精度可达微米级，可以对驱动电机运转过程中引起传动皮带的上下振动位移进行精确的测量，同时利用高线数的增量式光电编码器结合数据采集卡可准确测量驱动电机的实时转速变化。数据采集卡对激光位移传感器和增量式光电编码器的输出进行采集和数据分析处理，可以得到驱动电机在被测驱动器(待测电机的驱动器)控制运转过程中，传动皮带的振动位移曲线、振动频率、振动幅值、驱动电机转速变化等信息，通过工作站将这些信息实时展现出来。在被测驱动器(待测电机的驱动器)的机械谐振抑制功能开启和关闭两种情况下，利用本实施例的驱动器机械谐振的检测系统分别测量传动皮带的振动位移和驱动电机转速，根据传动皮带的振幅大小和待测电机转速变化量，便可以检测出被测伺服驱动器是否有机械谐振抑制功能以及这个功能的强弱。

传感器选用高精度CCD激光位移传感器，该传感器的测试范围为400±100mm(毫米)，精度最高可达±0.02％，误差为2μm(微米)。利用该激光位移传感器，使得本实施例的驱动器机械谐振的检测系统的测量范围可达400±100mm，即传动皮带上下波动位移量在0mm～100mm范围内皮带的振动特性，如振动的幅值、振动的频率等均可准确测量；本实施例的驱动器机械谐振的检测系统的响应频率可达50KHz(千赫兹)，即传动皮带的振动频率在0～50KHz范围内，其振动特性均可测量。增量式光电编码器采用20位光电编码器，可以准确并时时测量驱动电机的转速(即第二带轮的转速)。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种驱动器机械谐振的检测系统，其特征在于，包括：第一伺服电机、第一伺服电机驱动器、皮带传动机构；

所述第一伺服电机驱动器与所述第一伺服电机电连接；

所述第一伺服电机与待测电机通过所述皮带传动机构传动连接；

所述皮带传动机构包括第一带轮、第二带轮、第一刚性联轴器、第二刚性联轴器；

所述皮带传动机构的传动皮带跨接所述第一带轮和所述第二带轮；

所述第一带轮与所述第一刚性联轴器的一端连接，所述第一刚性联轴器的另一端与所述第一伺服电机的输出轴连接；

所述第二带轮与所述第二刚性联轴器的一端连接，所述第二刚性联轴器的另一端与所述待测电机的输出轴连接；

所述传动皮带在传动过程中发生的振动反映所述待测电机的引起的振动。

2.如权利要求1所述的驱动器机械谐振的检测系统，其特征在于，所述皮带传动机构还包括第一带轮支架、第二带轮支架；所述第一带轮设置于所述第一带轮支架上，所述第二带轮设置于所述第二带轮支架上；所述检测系统还包括底座，所述底座上设置有滑道，所述第一带轮支架和所述第二带轮支架设置于所述底座上，所述滑道用于供所述第一带轮支架和所述第二带轮支架滑动，以调节所述第一带轮与所述第二带轮的中心距。

3.如权利要求2所述的驱动器机械谐振的检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括位移测量装置，所述位移测量装置用于按照预设采样频率测量所述传动皮带在竖直方向上的位移。

4.如权利要求3所述的驱动器机械谐振的检测系统，其特征在于，所述位移测量装置为激光位移传感器，所述激光位移传感器的发射的光束垂直于皮带平面，所述激光位移传感器设置于所述传动皮带的正上方或正下方。

5.如权利要求4所述的驱动器机械谐振的检测系统，其特征在于，所述激光位移传感器与所述第一带轮的中心的距离和所述激光位移传感器与所述第二带轮的中心的距离相等。

6.如权利要求5所述的驱动器机械谐振的检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括增量式光电编码器，所述增量式光电编码器设置于所述第二带轮的伸出轴上，所述增量式光电编码器用于测量所述第二带轮的转速。

7.如权利要求6所述的驱动器机械谐振的检测系统，其特征在于，所述驱动器机械谐振的检测系统还包括数据采集卡，所述数据采集卡分别与所述位移测量装置、所述增量式光电编码器通信连接；

所述位移测量装置还用于向所述数据采集卡传输所述位移，所述增量式光电编码器还用于向所述数据采集卡传输所述转速；所述数据采集卡用于使用所述预设采样频率和所述位移进行计算以得到所述传动皮带的振动频率、振动幅值。

8.如权利要求7所述的驱动器机械谐振的检测系统，其特征在于，所述位移测量装置还用于在谐振抑制模式下按照预设采样频率测量所述传动皮带在竖直方向上的位移，所述增量式光电编码器还用于在谐振抑制模式下测量所述第二带轮的转速，所述谐振抑制模式为开启所述待测电机的驱动器的谐振抑制功能后的测试模式；

所述位移测量装置还用于向所述数据采集卡传输谐振抑制模式下的位移，所述增量式光电编码器还用于向所述数据采集卡传输谐振抑制模式下的转速；

所述数据采集卡还用于根据所述预设采样频率和所述谐振抑制模式下的位移计算所述传动皮带的谐振抑制模式下的振动频率、谐振抑制模式下的振动幅值；

所述数据采集卡还用于计算频率差值、幅值差值，所述频率差值为所述振动频率与谐振抑制模式下的振动频率的差值，所述幅值差值为所述振动幅值与所述谐振抑制模式下的振动幅值的差值。

Images