《精密永磁伺服电机与控制关键技术要求》-征求意见稿

1T/DZJNXXX－202X精密永磁伺服电机与控制关键技术要求本文件规定了精密永磁伺服电机与驱动器组成的永磁伺服系统（以下简称“伺服系统”）的控制技术要求以及测试方法。本文件适用于输入供电电源交流额定电压不大于1000V、直流额定电压不大于1500V的精密永磁伺服系统及构成伺服系统的伺服驱动器、伺服电动机。其他类型永磁伺服系统可参照。注：本文件未列入而又与伺服系统有关的技术要求，参2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T755-2019旋转电机定额和性能GB/T16439—2024交流伺服系统通用技规范JB/T10184—2014交流伺服驱动器通用技术条件3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1精密永磁伺服系统precisionpermanentmagnetservosystem本文件中精密永磁伺服系统指由采用机械角度分辨率小于0.01°的反馈元件的旋转式永磁伺服电动机及其驱动器组成的伺服系统。3.2正反转速差率differenceratiobetweenCWandCCWspeed伺服系统在额定电压下空载运行，不改变转速指令的量值，仅改变电动机的旋转方向，测量电动机的正、反两方向的稳定运行转速值nccw和ncw，按公式（1）计算正反转速差率Kn。Kn式中：Kn——正反转速差率，%；ncw——电动机顺时针旋转时的转速值，单位为转每分(r/min)；nccw——电动机逆时针旋转时的转速值，单位为转每分(r/min)。[来源：GB/T16439—2024，5.8]3.32T/DZJNXXX－202X转速变化率velocityregulatedratio伺服系统在某一给定转速下，负载由空载变化到规定的额定负载，其转速变化值与空载转速之比叫做转速变化率S，见公式（2）。S式中：n0——空载下的转速，单位为转每分(r/min)；nL——负载下的转速，单位为转每分(r/min)。[来源：JB/T10184—2014，3.7]3.4调速比speedratio调速系统满足规定的转速变化率时的最低空载转速nmin和额定转速nN之比叫做调速比D，见公式D................................................................................(3)式中：nmin——最低空载转速，单位为转每分(r/min)；nN——额定转速，单位为转每分(r/min)。[来源：JB/T10184—2014，3.8]3.5转速调整率speedregulationrate伺服系统在额定转速条件下，仅电源电压变化，或仅环境温度变化，或电源电压不变、环境温度不变但连续运行若干小时，电动机平均转速的变化值与额定转速的百分比分别叫做电压变化的转速调整率、温度变化的转速调整率、时间变化的转速调整率，见公式（4）。i=1,2.................................................................(4)式中：△n——转速调整率，%；ni——电动机的实际转速，单位为转每分(r/min)；nN——电动机的额定转速，单位为转每分(r/min)。[来源：GB/T10184—2014，3.9]3.6超调量overshoot伺服系统输入阶跃信号，时间响应曲线上超出稳态转速（终值）的最大转速差值（瞬态超调）对稳态转速（终值）的百分比叫做转速上升时的超调量（见图1）。伺服系统运行在稳态转速，输入信号阶跃至零，时间响应曲线上超出零转速的反向转速的最大转速值（瞬态超调）对稳态转速的百分比叫做转速下降时的超调量。T/DZJNXXX－202X3图1阶跃输入的时间响应曲线[来源：JB/T10184—2014，3.10]3.7转矩变化的时间响应responsefollowingatorquevariation伺服系统正常运行时，对电动机突然施加转矩负载或突然卸去转矩负载，电动机转速随时间的变化叫做伺服系统对转矩变化的时间响应（见图2）。图2突加负载的时间响应曲线（输入不变）[来源：JB/T10184—2014，3.11]3.8阶跃输入的转速响应时间responsetimefollowingastepchangeofreferenceinput伺服系统输入由零到对应nN的正阶跃信号，从阶跃信号开始至转速第一次达到0.9nN的时间（见图1）；驱动器输入由对应nN到零的负阶跃信号，从阶跃信号开始至转速第一次达到0.1nN的时间。上述正、负阶跃过程中规定的时间叫做阶跃输入的转速响应时间。[来源：JB/T10184—2014，3.12]3.9建立时间settlingtime伺服系统输入由零到对应nN的阶跃信号，从输入信号开始至转速达到并不再超出稳态转速（终值）±5%的范围所经历的时间叫做阶跃输入的转速建立时间（见图1）。不改变驱动器的输入，对电动机突T/DZJNXXX－202X4然施加转矩负载或突然卸去转矩负载，从突然加、卸载开始至转速达到并不超出稳定转速（终值）±5%的范围所经历的时间叫做转矩变化的转速建立时间（恢复时间）（见图2）。[来源：JB/T10184—2014，3.13]3.10转速波动率speedfluctuationrate空载条件下，伺服系统在额定转速运行状态下的瞬时最大转速与最小转速的差值与和值之比叫做转速波动率，见公式（5）。Kfn式中：Kfn——转速波动率，%；nmax——电动机的瞬时最大转速，单位为转每分(r/min)；nmin——电动机的瞬时最小转速，单位为转每分(r/min)。[来源：GB/T16439—2024，5.14]3.11转矩波动率torquefluctuationrate伺服系统在某一转速下，带恒定负载运行过程中的最大输出转矩和最小输出转矩的差值与和值之比叫做转矩波动率，见公式（6）。KfT式中：KfT——转速波动率，%；Tmax——电动机的瞬时最大转矩，单位为牛米(N•m)；Tmin——电动机的瞬时最小转矩，单位为牛米(N•m)。[来源：GB/T16439—2024，5.13]3.12频带宽度bandwidth伺服系统输入量为正弦波，随着正弦波信号的频率逐渐提高，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°时或者幅值减小至低频段幅值1/2时（以先达到的条件为准）的频率叫做伺服系统的频带宽度。[来源：JB/T10184—2014，3.15]3.13惯量适应范围loadinertiarange伺服系统在不影响自身稳定性和调速比的前提下所能带的负载惯量范围。[来源：GB/T16439—2024，3.12]4技术要求4.1一般要求4.1.1伺服系统的运行条件和通用技术要求参照GB/T16439-2024的规定。T/DZJNXXX－202X54.1.2伺服驱动器的通用技术要求参照JB/T10184-2000的规定。4.1.3永磁伺服电动机的通用技术要求参照GB/T755-2019的规定。4.2功能要求4.2.1转速控制功能伺服系统应具备转速控制功能，能控制电机按照给定转速指令运行。4.2.2转矩控制功能伺服系统应具备转矩控制功能，能控制电机输出给定转矩。4.2.3位置控制功能伺服系统应具备位置控制功能，能控制电机旋转至给定位置。4.2.4通信功能伺服系统应具备与上级系统的通信功能，能完成控制指令、状态反馈等信息交互。4.2.5故障保护功能伺服系统应具备故障保护功能，能在满足故障触发条件时发出告警信息并按照约定规则完成电动机制动、切断使能输出等应急响应动作。4.2.6参数存储与设置功能伺服系统应具备参数存储与设置功能，能通过调试上位机、显示与按键模组等方式完成控制参数的设置与修改，并实现参数的自动存储与调用。参数存储容量和类型满足产品专用技术条件规定。4.2.7状态显示功能伺服系统应具备状态显示功能，能通过指示灯、数码管或液晶屏等方式完成系统状态的显示。4.2.8紧急制动功能伺服系统应具备紧急制动功能，能在故障时或在接到上级系统指令时以最大允许加速度降速至零速。4.2.9多机同步控制功能伺服系统应具备多机同步控制功能，能通过多机组网实现控制多台电动机同步运行。各伺服系统可按照产品专用技术条件的要求在规定响应时间偏差范围内完成规定响应动作。4.2.10健康状态管理功能伺服系统宜具备健康状态管理功能，能通过对系统运行参数的采集与分析实现对系统的健康状态评估、故障诊断及寿命预测等功能。具体需要实现的健康状态管理功能及处理方式需在产品专用技术条件中说明。4.2.11参数辨识功能T/DZJNXXX－202X6伺服系统宜具备参数辨识功能，能完成对电动机转动惯量、电阻、电感、永磁体磁链、反电动势、摩擦系数等参数的辨识。具体需要实现的辨识参数应在产品专用技术条件中说明。4.2.12参数自整定功能伺服系统宜具备参数自整定功能，能完成对电动机极对数、电动机零相位角、PI控制器系数、负载特性等相关控制参数的自适应调整功能，通常需结合参数辨识功能开展。具体需要实现的自适应调整参数应在产品专用技术条件中说明。4.2.13绝对位置精度补偿功能伺服系统宜具备绝对位置精度补偿功能，用户能通过调试上位机、显示与按键模组等方式调整绝对位置精度补偿系数，且补偿系数对电机轴端绝对位置精度影响的量化关系应在产品试用说明中明确。4.2.14固件升级功能伺服系统应具备固件升级功能，能通过在线更新、外接存储卡或固件升级工具等方式对内部软件程序进行更新。4.3性能要求4.3.1可重复定位精度伺服系统在相同条件下多次到达同一目标位置时的偏差范围即可重复定位精度应满足产品专用技术条件规定。4.3.2绝对定位精度伺服系统的位置响应动作完成后的电动机轴端实际位置与最终目标位置的偏差即绝对定位精度应满足产品专用技术条件的规定。4.3.3转速变化率控制方式为转速闭环的伺服系统，在nN和D•nN时的转速变化率应满足产品专用技术条件的规定。4.3.4调速比控制方式为转速闭环的伺服系统的调速比D应满足产品专用技术条件的规定，D宜选用：1:1000；1:1500；1:2000；1:3000；1:5000；1:8000；1:10000；1:15000。4.3.5转速调整率伺服系统随着温度变化和电压变化的转速调整率，应满足产品专用技术条件规定。4.3.6正反转速差率在空载条件下，伺服系统在额定转速时的正反转速差率，应满足产品专用技术条件规定。4.3.7转速波动率空载条件下，伺服系统在额定转速时的的转速波动率，应满足产品专用技术条件规定。4.3.8转矩波动率T/DZJNXXX－202X7伺服系统的转矩波动率，应满足产品专用技术条件规定。4.3.9转速变化响应时间伺服系统在空载条件下，输入额定转速阶跃信号，转速响应过程中的响应时间、超调量和建立时间，均应满足产品专用技术条件规定。4.3.10转矩变化响应时间伺服系统稳态运行，突然施加额定负载转矩和突然卸去额定负载转矩，电动机转速的最大瞬态偏差和建立时间（恢复时间）应满足产品专用技术条件规定。4.3.11位置定位整定时间伺服系统从接收到位置指令至电动机轴端实际位置稳定在规定定位精度范围内的响应时间即位置定位整定时间应满足产品专用技术条件规定。4.3.12频带宽度伺服系统位置环和转速环的频带宽度应满足产品专用技术条件的规定，并应说明是幅度下降到-3dB的频带宽度，还是90°相移的频带宽度。4.3.13惯量适应范围伺服系统的惯量适应范围应满足产品专用技术条件的规定。5测试方法5.1功能测试方法5.1.1转速、转矩和位置控制功能修改伺服系统模式配置，使其分别运行于转速、转矩或位置控制模式，观察其能否在给定的转速、转矩或位置下运行，且其运行转速、输出转矩或停位精度应满足产品专用技术条件要求。5.1.2通信功能上级控制单元通过专用技术要求规定的协议（EtherCat、PROFINET、CANopen、RS485、RS422等）与伺服系统通信，下发控制指令，检测伺服系统能否正确完成规定动作以及状态信息反馈是否满足要求；若无上级控制单元，可通过装有通信调试软件的计算机、专用测试工装等方式与伺服系统通信，开展通信功能测试。5.1.3故障保护功能依据产品专用技术条件要求的故障触发条件配置伺服系统运行工况，检测伺服系统能否正常发出告警信息并按照约定规则完成电动机制动、切断使能输出等应急响应动作。5.1.4参数存储与设置功能通过调试上位机、显示与按键模组等方式完成伺服系统控制参数的设置与修改，断电后再次上电，查验参数是否自动完成存储与调用，参数存储容量和类型满足产品专用技术条件规定。T/DZJNXXX－202X85.1.5状态显示功能目视检查伺服系统运行过程中的状态显示功能，满足4.2.7规定。5.1.6紧急制动功能伺服系统运行于额定转速，通过模拟故障或上级控制单元下发指令的方式使伺服系统执行紧急制动动作，查看电机是否在规定时间内停止运行。对于有抱闸控制功能的伺服系统，查验是否按照约定规则执行抱闸动作。5.1.7多机同步控制功能将两套或两套以上伺服系统通过通信线缆连接组网，并接入系统主控制器（或将其中一套伺服系统配置为主控制器），通过主控制器向各伺服系统发送控制指令，观测各伺服系统的动作完成情况及动作响应时间偏差，应满足4.2.9的要求。5.1.8健康状态管理功能伺服系统能自主完成功率器件温度、电压、电流以及开通关断特性等静动态参数采集与存储，并能输出系统健康状态的判定结果，判定结果的有效性可通过人为模拟故障或老化状态等方式进行检测。参数存储内容及容量、健康状态判定结果的输出方式及有效性等满足产品专用技术条件规定。5.1.9参数辨识功能运行伺服系统的参数辨识功能，将辨识完成的电动机转动惯量、电阻、电感、永磁体磁链、反电动势、摩擦系数等参数与电机实际参数在相同环境条件下做对比。具体的参数辨识过程要求和实时性要求依据所采用的离线或在线辨识策略进行专门制定。5.1.10参数自整定功能运行伺服系统的参数自整定功能，伺服系统能自动将控制器参数设置为自整定参数，并对伺服系统的额定转速、转速线性度、转速变化响应时间、定位精度等主要指标进行测试，应满足产品专用技术条件要求。具体的参数自整定过程要求和实时性要求依据所采用的参数自整定策略进行专门制定，该项功能测试可结合参数辨识功能一起开展，可在产品专用技术条件中只对合并后的测试项做统一技术要求。5.1.11绝对位置精度补偿功能调整伺服系统绝对位置精度补偿系数，在相同运动参数（起始和末端位置、加速度、最大转速）状态下，检测伺服系统的稳态位置误差的增大或减小趋势是否满足产品专用技术条件要求。5.1.12固件升级功能依据产品专用技术条件的操作说明对伺服系统的固件进行更新，断电后重新上电，查验软件版本参数或标志位是否更新。5.2性能测试方法5.2.1可重复定位精度给定伺服系统位置指令信号，电动机到位后测量驱动器输出的位置偏差值。若驱动器无位置偏差T/DZJNXXX－202X9输出或显示，可从外部测量电机轴端的最终停止位置，并与给定位置指令做对比，得到位置偏差值。重复上述操作至少三次，停位误差均应满足产品专用技术条件规定。5.2.2绝对定位精度给定伺服系统位置指令信号，测量电动机运行完成后的实际位置与指令的偏差值，应满足4.3.2的要求5.2.3转速变化率分别给定伺服系统转速指令nN和DnN，测量空载转速n0；分别在转速nN和DnN下施加连续工作区中规定的额定转矩，测量加载后转速nL，按公式（2）计算转速变化率S，应满足4.3.3的要求。5.2.4调速比伺服系统工作在转速控制模式下，测量的电动机额定转速和最小转速，按公式（3）计算调速比，应满足4.3.4的要求。5.2.5转速调整率可选用温度、电压变化的转速调整率，无特殊要求按最苛刻的电压测试。但在新产品定型前，两项必须全测。伺服系统在产品专用技术条件规定的工作环境温度条件的最低温度和最高温度下，将电动机转速调整至额定转速时，测量出两个状态的转速差，计算温度变化的转速调整率；在供电电源电压幅值由额定值的90%变化到110%时，测量出电压变化的转速调整率。5.2.6正反转差率伺服系统工作在转速控制模式下，伺服系统在额定电源电压、额定转速下空载运行，测量电动机正、反转两方向的转速平均值，按公式（1）计算伺服系统的正反转速差率，结果应满足4.3.6的要求。5.2.7转速波动率伺服系统工作在转速控制模式下，在额定转速、空载条件下测试并记录瞬时最大转速和最小转速，按照公式（5）计算伺服系统的转速波动率，应满足4.3.7的要求。5.2.8转矩波动率伺服系统工作在规定转速下（如无特殊要求，宜选用1r/min~10r/min）,对电动机施加连续工作区中规定的最大转矩，测量并记录电动机运转一圈过程中的瞬时最大转矩和最小转矩，按照公式（6）计算伺服系统的转矩波动率，应满足4.3.8的要求。5.2.9转速变化响应时间伺服系统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。在稳态的额定转速下，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超调量。改变电动机的旋转方向重复上述试验，测得四组数据，均应满足4.3.9的要求。5.2.10转矩变化响应时间T/DZJNXXX－202X转矩变化的时间响应试验采用对拖法进行，在规定的惯量条