CN113703424B - 伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法 - Google Patents

伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法 Download PDF

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Abstract

一种伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，属于伺服驱动器可靠性评估技术领域。本发明针对现有伺服驱动系统的MTBF评估试验周期长的问题。包括：在预设次数范围内，每次在初始设定的预设恒温温度下，采用两台电机对拖的工作模式进行伺服驱动器试验状态的加载，对伺服驱动器进行预设时长的加速退化实验，并在每次加速退化实验结束后对伺服驱动器进行目标参数测试；根据在达到预设次数以前，目标参数测试结果中出现超出对应设定阈值的失效目标参数测试结果或者在达到预设次数后，目标参数测试结果均未超出对应设定阈值的情况分别确定伺服驱动器在预设恒温温度下平均无故障工作时间。本发明实现了短时间周期内平均无故障工作时间的评估。

Description

伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法
技术领域
本发明涉及伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，属于伺服驱动器可靠性评估技术领域。
背景技术
伺服电机驱动技术是数控机床、工业机械人等重大机械系统控制的关键技术之一。在工业机器人系统中，伺服驱动器须频繁对伺服电机进行启停、制动控制，且工况多变，因此极易出现各种故障，从而造成伺服机器人动作故障，严重影响生产效率。对驱动器开展可靠性评估与寿命量化评价相关研究，对制定伺服系统维修计划以及保证系统正常工作具有重要意义与应用价值。
由于伺服驱动系统具有高可靠性和集成度高的特点，若对其在常温下进行平均无故障工作时间(MTBF)评估，一方面需要较长的试验周期，另一方面只能实现单一器件或简单系统的MTBF判断；因此很难满足实际应用中的评估需求。
发明内容
针对现有伺服驱动系统的MTBF评估试验周期长的问题，本发明提供一种伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法。
本发明的一种伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，包括：
在预设次数范围内，每次在初始设定的预设恒温温度下，采用两台电机对拖的工作模式进行伺服驱动器试验状态的加载，对伺服驱动器进行预设时长的加速退化实验，并在每次加速退化实验结束后对伺服驱动器进行目标参数测试；
根据目标参数测试结果确定伺服驱动器在预设恒温温度下平均无故障工作时间的方法包括以下两种情况：
一)在达到预设次数以前，目标参数测试结果中出现超出对应设定阈值的失效目标参数测试结果，则以失效目标参数测试结果首次发生的时间，作为伺服驱动器在预设恒温温度下平均无故障工作时间；
二)在达到预设次数后，目标参数测试结果均未超出对应设定阈值，则对所有目标参数测试结果进行分析，确定每个目标参数超出对应设定阈值的失效时间，以所有失效时间中的最短时间作为伺服驱动器在预设恒温温度下平均无故障工作时间；
所述预设恒温温度大于常温温度。
根据本发明的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，所述预设恒温温度为55℃。
根据本发明的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，所述目标参数包括二次电源的输出电压平均值、MOSFET漏源电压、TVS管两端电压、功率回路的母线电容容值、IPM电压及电流。
根据本发明的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，每次加速退化实验结束后对伺服驱动器进行目标参数测试的过程包括：
使伺服驱动器断电散热，采用LCR表测量功率回路的母线电容容值；
然后对二次电源和功率回路供电，测试功率回路的IPM电压及电流；再使功率回路断电，测试二次电源的输出电压、MOSFET漏源电压和TVS管两端电压；由二次电源的输出电压进行计算获得二次电源的输出电压平均值。
根据本发明的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，确定每个目标参数超出对应设定阈值的失效时间的方法包括：
根据每个目标参数测试结果的退化趋势拟合退化曲线，预测目标参数达到对应设定阈值的时间，作为失效时间，以所有失效时间中的最短时间作为伺服驱动器在设恒温温度下平均无故障工作时间。
根据本发明的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，所述评估方法还包括根据伺服驱动器在预设恒温温度下平均无故障工作时间确定伺服驱动器常温下平均无故障工作时间：
确定伺服驱动器常温下平均无故障工作时间包括确定伺服驱动器的失效加速因子：
根据阿伦尼乌斯模型计算伺服驱动器在常温下的反应速率L0：
Figure BDA0003233881300000021
式中T0为常温绝对温度，根据常温温度换算获得；k为指前常数；Ea为激活能，KB为玻尔兹曼常数；
根据阿伦尼乌斯模型再计算伺服驱动器在预设恒温温度下的反应速率L1：
Figure BDA0003233881300000022
式中T1为预设恒温绝对温度，根据预设恒温温度换算获得；
根据预设恒温温度下的反应速率L1和常温下的反应速率L0计算获得失效加速因子AF：
Figure BDA0003233881300000031
式中Tc为根据预设恒温绝对温度T1计算获得的伺服驱动器对应失效器件的工作温度；
再根据失效加速因子AF计算获得常温下伺服驱动器的失效时间t0：
t0＝t1×AF,
t1为预设恒温温度下的失效时间。
根据本发明的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，二次电源的输出电压、MOSFET漏源电压和TVS管两端电压采用示波器测量。
根据本发明的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，功率回路的母线电容容值和IPM电压通过LCR数字电桥测量。
根据本发明的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，所述预设次数包括100次。
根据本发明的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，所述预设时长包括22小时。
本发明的有益效果：本发明方法通过加速试验的方式，对伺服驱动器试验样本进行高温环境下的退化试验，通过提取主回路，以及二次电源部分退化元器件的退化参数，可分析伺服驱动器的退化趋势及寿命数据，进而实现短时间周期内平均无故障工作时间的评估。
本发明方法基于退化原理进行分析，结果较为精确；所需试验样本数少，节约成本；试验过程保证了设备完整性，无需拆卸。
附图说明
图1是本发明所述伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1所示，本发明提供了一种伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，包括，
将伺服驱动器的二次电源和功率回路(即主回路)作为测试目标；
采用恒温箱提供预设恒温温度，在预设恒温温度下，实现伺服驱动器加速退化实验；
在预设次数范围内，每次在初始设定的预设恒温温度下，采用两台电机对拖的工作模式进行伺服驱动器试验状态的加载，对伺服驱动器进行预设时长的加速退化实验，并在每次加速退化实验结束后对伺服驱动器进行目标参数测试；
根据目标参数测试结果确定伺服驱动器在预设恒温温度下平均无故障工作时间的方法包括以下两种情况：
一)在达到预设次数以前，目标参数测试结果中出现超出对应设定阈值的失效目标参数测试结果，则以失效目标参数测试结果首次发生的时间，作为伺服驱动器在预设恒温温度下平均无故障工作时间；
二)在达到预设次数后，目标参数测试结果均未超出对应设定阈值，则对所有目标参数测试结果进行分析，确定每个目标参数超出对应设定阈值的失效时间，以所有失效时间中的最短时间作为伺服驱动器在预设恒温温度下平均无故障工作时间；
所述预设恒温温度大于常温温度。所述常温温度可以选择为25℃。
本实施方式中，可以对所有目标参数测试结果进行监控，分别确定每一个目标参数的失效时间；通过关注所有目标参数的失效时间，来确定器件退化对整个伺服驱动器的影响。确定每一个目标参数的失效时间后，可选择其中发生无效对应的最短时间作为伺服驱动器的平均无故障工作时间。
驱动器故障类型包括二次电源故障和功率回路故障。
本实施方式对于伺服驱动器的可靠性评估采用加速试验的方式缩短试验时间，结合工作原理对其进行分析可得出最终的可靠性评估结果。
本实施方式可以天为单位对伺服驱动器的关键退化参数进行测试，例如选择预设次数为100次，则在100天的时间范围内，每天可以测试22小时，测试结束后，需恢复试验平台至初始状态，然后第二天再继续进行加速试验。循环加速试验的全过程可选择持续至出现失效的结果或达到设定时间上限。加速试验结束后，找出关键失效器件，通过对高温寿命数据或伪寿命数据分析，可再采用阿伦尼乌斯模型对常温寿命进行推导，得出伺服驱动器的MTBF评估结果。
对于每一天的加速退化实验，进行目标参数测试可用时2小时。
电机对拖需要有两套电机和两个驱动器控制，其中一个电机工作在点动状态，由电网吸收能量，通过电磁能量转换为机械功，输出在电机轴上，产生电磁转矩；另一台电机工作在制动模式，将轴上的机械能量通过电磁作用传唤为电能，使电磁转矩始终阻碍轴的转动，将吸收的能量回馈到母线或电网上。
作为示例，所述预设恒温温度为55℃。
在制定伺服系统加速寿命试验温度应力等级时，需要考虑电解电容、压敏电阻和其他元器件的工作额定温度，最终确定温度应力55℃。选定温度应力后，需保证伺服驱动器工作条件还原其实际工况，因此需要根据实际情况设定合适的工作模式。
根据已知可获取数据，影响伺服驱动器电子系统，开关电源性能的表征参数可能为电力MOSFET的栅源电压、漏源电压；母线电容的容值及串联等效电阻(ESR)等。根据驱动器厂家的售后故障数据，反激变压器缓冲电容两端的TVS管以及电源控制芯片是故障多发元件，并且根据文献可得知，TVS在承受浪涌冲击可能存在过功率导致其失效。
作为示例，所述目标参数的选择可包括二次电源的输出电压平均值、MOSFET漏源电压、TVS管两端电压、功率回路的母线电容容值、IPM电压及电流。
根据选择的目标参数，当输出电压平均值、MOSFET漏源电压或TVS管两端电压的测试值超过设定阈值时，可确定为二次电源故障；当母线电容容值、IPM电压及电流超过设定阈值时，可确定为功率回路故障。二次电源的可靠工作是保障整个伺服系统无故障运行的必要条件。对于伺服驱动器二次电源的分析，测量，仿真，故障注入等实验研究，是提高伺服系统可靠性的关键环节。
所述目标参数的选取以及对应的故障类型可结合伺服驱动器的维修数据分析获得。通过对伺服系统工作条件的分析，得出温度应力作为持续作用于伺服系统的环境因素，与退化过程的化学反应速率有着直接的关系，可作为加速试验的主要环境应力。
进一步，每次加速退化实验结束后对伺服驱动器进行目标参数测试的过程包括：
使伺服驱动器断电散热，采用LCR表测量功率回路的母线电容容值；
然后对二次电源和功率回路供电，测试功率回路的IPM电压及电流；再使功率回路断电，测试二次电源的输出电压、MOSFET漏源电压和TVS管两端电压；由二次电源的输出电压进行计算获得二次电源的输出电压平均值。
在100天的加速退化实验过程中，可能会产生失效器件，也可能直到实验结束都没有故障产生。对于在实验过程中发生失效的器件，可直接根据故障发生时间点确定失效时间。
再进一步，确定每个目标参数超出对应设定阈值的失效时间的方法包括：
根据每个目标参数测试结果的退化趋势拟合退化曲线，预测目标参数达到对应设定阈值的时间，作为失效时间，以所有失效时间中的最短时间作为伺服驱动器在预设恒温温度下平均无故障工作时间。
对于在实验过程中，没有达到失效状态的目标参数，可根据其退化趋势拟合退化曲线，估算其失效时间。
在得到加速试验测试结果后，将各个器件的退化数据与对应器件参数失效阈值进行比较，可得出其在高温时各关键器件寿命。而常温下寿命的推导，则需引入阿伦尼乌斯模型，对于温度应力的加速试验，系统的激活能Ea是重要的参数。当通过加速试验获得样品失效时间和不同应力下的MTBF大小后，其系统激活能可由下式计算：
Figure BDA0003233881300000061
式中MTBF(T0)为常温下伺服驱动器的失效时间，MTBF(T1)为预设恒温温度下的失效时间。
再进一步，所述评估方法还包括根据伺服驱动器在预设恒温温度下平均无故障工作时间确定伺服驱动器常温下平均无故障工作时间：
确定伺服驱动器常温下平均无故障工作时间包括确定伺服驱动器的失效加速因子：
在阿伦尼乌斯模型中，反应速率是器件类型、失效模式和绝对温度T的函数。根据阿伦尼乌斯模型计算伺服驱动器在常温下的反应速率L0：
Figure BDA0003233881300000062
式中T0为常温绝对温度，单位为开尔文(K)，根据常温温度换算获得；k为指前常数，与温度无关；Ea为激活能，单位为eV；KB为玻尔兹曼常数，取值为8.617×10-5eV/K；
根据阿伦尼乌斯模型再计算伺服驱动器在预设恒温温度下的反应速率L1：
Figure BDA0003233881300000063
式中T1为预设恒温绝对温度，单位为开尔文(K)，根据预设恒温温度换算获得；
根据预设恒温温度下的反应速率L1和常温下的反应速率L0计算获得失效加速因子AF：
Figure BDA0003233881300000064
式中Tc为根据预设恒温绝对温度T1计算获得的伺服驱动器对应失效器件的工作温度。
本实施方式中，在根据所有目标参数分别确定其失效时间后，由不同目标参数可确定其故障类型。最早发生故障对应的目标参数测试时间可作为预设恒温温度下的平均无故障工作时间。由于伺服驱动器通常工作在常温下，因此需要由预设恒温温度下的平均无故障工作时间确定常温下平均无故障工作时间。因此本实施方式首先确定失效加速因子，用于计算常温下平均无故障工作时间。常温可以选择25℃。
在了解各失效器件激活能的基础上，可以对常温下的伺服驱动器寿命外推，将测得55℃各关键元器件伪寿命进行评估，可得出各元器件常温下寿命评估结果。以表1作为示例进行说明：
表1
Figure BDA0003233881300000071
由表1可知，目前得出的各元器件的常温寿命中，最小值为二次电源输出5V反馈，寿命值为31500小时，故可以初步断定伺服驱动器整机寿命最小值为31500小时。
再进一步，确定伺服驱动器的平均无故障工作时间还包括根据失效加速因子AF计算获得常温下伺服驱动器的失效时间t0，即伺服驱动器的常温下平均无故障工作时间：
t0＝t1×AF,
t1为预设恒温温度下的失效时间，即伺服驱动器的预设恒温温度下平均无故障工作时间。
如果加速试验中，所有伺服驱动器的故障都由相同的关键元器件引起，即产品的失效模式相同；不同温度条件下的MTBF可以绘制在温度为横坐标，MTBF为纵坐标的坐标系中。当获得系统激活能Ea和指前常数的估计值后，常规工作条件下伺服系统MTBF估计可根据常规应力参数计算得到。
结合表1，通过对该伺服驱动器加速寿命试验的测试和分析，对母线电容进行寿命外推可以得到伺服驱动器的MTBF。当电容容值达到其原始值的百分之八十或者ESR增长为原始值两倍，可判定电容失效。根据加速寿命试验结果，在55℃的应力下，已正常运行2400小时，可以推测其寿命最小值为2400×27.1＝59620h。故可认为电解电容能够可靠运行30000小时。
二次电源中，TVS退化现象不明显，以实验已进行时间2200小时作为最小寿命，通过加速模型得出TVS常温下寿命为2200×16.6＝36520h。由于电源采用闭环控制系统，故该电源的输出下降的主要原因为TL431基准源的退化。
根据阿伦尼乌斯模型，可以计算出直接影响输出5V退化的元器件TL431在55℃的加速因子。根据产品芯片手册，激活能为Ea＝0.75eV；KB是玻尔兹曼常数等于8.62×10-5eV/K；T0＝55℃为正常环节温度，在环境温度为55℃下，该芯片的工作温度约为Tc＝85℃。根据公式计算所得加速因子AFTL431＝12.6。所以在常温下的寿命约为31500小时。
作为示例，二次电源的输出电压、MOSFET漏源电压和TVS管两端电压采用示波器测量。
综上所述，本发明通过提高系统运行时承受的应力，加速其整体退化速率，可在短时间内得到系统退化模型并预测其实际应用时寿命与可靠性。
作为示例，功率回路的母线电容容值和IPM电压通过LCR数字电桥测量。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (9)

1.一种伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，其特征在于包括，
在预设次数范围内，每次在初始设定的预设恒温温度下，采用两台电机对拖的工作模式进行伺服驱动器试验状态的加载，对伺服驱动器进行预设时长的加速退化实验，并在每次加速退化实验结束后对伺服驱动器进行目标参数测试；
根据目标参数测试结果确定伺服驱动器在预设恒温温度下平均无故障工作时间的方法包括以下两种情况：
一)在达到预设次数以前，目标参数测试结果中出现超出对应设定阈值的失效目标参数测试结果，则以失效目标参数测试结果首次发生的时间，作为伺服驱动器在预设恒温温度下平均无故障工作时间；
二)在达到预设次数后，目标参数测试结果均未超出对应设定阈值，则对所有目标参数测试结果进行分析，确定每个目标参数超出对应设定阈值的失效时间，以所有失效时间中的最短时间作为伺服驱动器在预设恒温温度下平均无故障工作时间；
所述预设恒温温度大于常温温度；
确定每个目标参数超出对应设定阈值的失效时间的方法包括：
根据每个目标参数测试结果的退化趋势拟合退化曲线，预测目标参数达到对应设定阈值的时间，作为失效时间，以所有失效时间中的最短时间作为伺服驱动器在预设恒温温度下平均无故障工作时间。
2.根据权利要求1所述的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，其特征在于，所述预设恒温温度为55℃。
3.根据权利要求1所述的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，其特征在于，所述目标参数包括二次电源的输出电压平均值、MOSFET漏源电压、TVS管两端电压、功率回路的母线电容容值、IPM电压及电流。
4.根据权利要求3所述的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，其特征在于，每次加速退化实验结束后对伺服驱动器进行目标参数测试的过程包括：
使伺服驱动器断电散热，采用LCR表测量功率回路的母线电容容值；
然后对二次电源和功率回路供电，测试功率回路的IPM电压及电流；再使功率回路断电，测试二次电源的输出电压、MOSFET漏源电压和TVS管两端电压；由二次电源的输出电压进行计算获得二次电源的输出电压平均值。
5.根据权利要求4所述的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，其特征在于，所述评估方法还包括根据伺服驱动器在预设恒温温度下平均无故障工作时间确定伺服驱动器常温下平均无故障工作时间：
确定伺服驱动器常温下平均无故障工作时间包括确定伺服驱动器的失效加速因子：
根据阿伦尼乌斯模型计算伺服驱动器在常温下的反应速率L0：
Figure FDA0003443750120000021
式中T0为常温绝对温度，根据常温温度换算获得；k为指前常数；Ea为激活能，KB为玻尔兹曼常数；
根据阿伦尼乌斯模型再计算伺服驱动器在预设恒温温度下的反应速率L1：
Figure FDA0003443750120000022
式中T1为预设恒温绝对温度，根据预设恒温温度换算获得；
根据预设恒温温度下的反应速率L1和常温下的反应速率L0计算获得失效加速因子AF：
Figure FDA0003443750120000023
式中Tc为根据预设恒温绝对温度T1计算获得的伺服驱动器对应失效器件的工作温度；
再根据失效加速因子AF计算获得常温下伺服驱动器的失效时间t0：
t0＝t1×AF,
t1为预设恒温温度下的失效时间。
6.根据权利要求3所述的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，其特征在于，二次电源的输出电压、MOSFET漏源电压和TVS管两端电压采用示波器测量。
7.根据权利要求3所述的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，其特征在于，功率回路的母线电容容值和IPM电压通过LCR数字电桥测量。
8.根据权利要求1所述的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，其特征在于，所述预设次数包括100次。
9.根据权利要求1所述的伺服驱动器的平均无故障工作时间试验评估方法，其特征在于，所述预设时长包括22小时。
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