CN105301413A - 电机驱动器母线电解电容寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种电机驱动器母线电解电容寿命评估方法，采用热敏技术测试驱动器的每个母线电解电容容芯温度以及工作环境温度，选出所有电解电容中最高的容芯温升△T，推算驱动器在环境上限温度工况下工作时，电解电容容芯温度T₂。根据最高允许容芯温度和T₂的差值，以及母线电压的修正系数，计算母线电解电容的寿命，而达到对驱动器寿命评估的目的。本发明方法，考虑了驱动器实际使用温度上限和测试环境温度差异带来的影响、实际使用时母线电压高低带来的影响、以及母线电解电容之间温升不均匀带来的影响，考虑全面，评估结果可靠。

Description

电机驱动器母线电解电容寿命评估方法

技术领域

本发明涉及一种电机驱动器母线电解电容寿命测试评估方法,用于评估驱动器寿命。

背景技术

随着自动化技术的进步和工业自动化的不断发展，伺服、变频系统广泛应用于制造、医疗、娱乐、服务等行业中，以提供精确、快速的位置控制为目的，是先进制造技术领域必不可少的自动化设备，其技术水平和应用程度是一个国家工业自动化的重要标志。

随着伺服、变频系统的推广应用，对其性能的需求也越来越高，包括更短的定位时间、更优的控制平稳性、更智能的自整定技术、及更高的可靠性。尤其在驱动器拖动电机，长期频繁启停、快速正反转、带负载垂直升降的场合，如机器人、机械手、转塔冲床等等应用，对驱动器的关键器件选型提出了更加严苛的要求。因此，驱动器的关键器件如何设计选型、如何验证其设计满足整个系统的寿命要求，日益成为驱动器设计的核心问题。

驱动器拖动电机，通常运行在频繁启停、快速正反转、带负载垂直升降的场合，如机器人、机械手、转塔冲床等等应用，驱动器的母线电压波动较大，母线电容纹波电流较大，因此，母线电容的寿命决定了整个驱动器的寿命。

目前对于驱动器母线电解电容寿命评估的方法，一种是纹波电流测试法，通过测试电解电容的环境温度、纹波电流、实际施加电压来计算电容的寿命，但其计算过程较复杂，计算结果准确性差，只适合于初期设计选型，不能作为工程验证手段。另一种是热阻计算法，通过电解电容的ESR、不同频率下的纹波电流来计算电容的寿命，其关键参数ESR的获得需要大量数据积累支撑，否则计算结果与实际相差较大，该方法只适合初期选型设计。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有技术存在的缺陷，提出了电机驱动器母线电解电容寿命评估方法，采用热敏技术准确测量驱动器的母线电解电容容芯温升，在此基础上利用容芯温升模型计算母线电解电容的寿命，进而达到对驱动器寿命评估的目的。

本发明的技术方案为：

电机驱动器母线电解电容寿命评估方法，其步骤是：

第一，在驱动器各个母线的电解电容的容芯内均内置一热敏电阻，电阻信号通过导线引出，连接至多路温度测试仪。

第二，驱动器拖动电机，带动机械本体模拟实际工况长期不间断运行；每隔一个设定的时间间隔，用多路温度测试仪读取每一个电解电容工作状态下的容芯温度以及工作环境温度；同时，用示波器测试驱动器母线电压波形，取母线电压等效有效值(电解电容的实际使用电压)U_a。

计算各个电解电容容芯温升△T_i：

△T_i＝母线电解电容工作状态下的容芯温度-工作环境温度。

第三，选出所有电解电容中最高的容芯温升△T，选定驱动器工作环境上限温度，推算驱动器在环境上限温度工况下工作时，电解电容容芯温度T₂：

T₂＝驱动器工作环境上限温度+△T。

第四，基于容芯温升寿命理论模型，利用电解电容推算容芯温度及母线电压等效有效值计算电解电容的评估寿命：

$L_x=L_0*2^{(T_1-T_2)/10}*K_v---\left(1\right)$

K_v＝(U_r/U_a)^2.5(U_a≤0.6U_r,U_a＝0.6U_r)

其中：T₁：在环境上限温度工况下，电解电容容芯最高允许温度(℃)；

L₀：电解电容额定使用寿命(小时h)；

L_x：电解电容的评估寿命(小时h)；

U_r：电解电容的额定使用电压(V)。

本发明所述的测试方法，充分考虑到伺服、变频系统的常规应用工况——频繁启停、快速正反转、带负载垂直升降，驱动器的母线电压波动较大，母线电解电容纹波电流较大，母线电解电容的寿命决定了整个驱动器的寿命。尤其当驱动器应用在机器人、机械手、转塔冲床等场合，该测试方法更加具有指导意义。

本发明所述的测试方法，其对于驱动器关键器件电解电容的寿命评估，采用容芯温升测试法，相对于纹波电流测试法和热阻计算法而言，虽然测试方法复杂，但是其评估结果更加准确有效，同时计算过程简单，计算误差小，更加适合于实际工程应用，能够作为电容选型是否满足驱动器整体寿命要求的有效验证手段。

本发明所述的测试方法，考虑了驱动器实际使用温度上限和测试环境温度差异带来的影响、实际使用时母线电压高低带来的影响、以及母线电解电容之间温升不均匀带来的影响，考虑全面，评估结果可靠。

附图说明

图1机器人电机、伺服驱动器以及多路温度测量仪连接框图。

具体实施方式

为具体阐述本发明的技术方案，技术效果和特点，以下将结合本发明的实施例附图，以具体的实例对本发明进行更清晰、详细的描述。

实施例的：测试对象为180Kg4轴机器人系统中的伺服驱动器。

机器人本体模拟实际工况时，2轴7.5Kw伺服驱动器拖动电机以3500rpm的转速进行快速正向、反向运动，相对于其它轴，2轴的负载惯量最大，电机正反转频次最高，电机行程最长，因此2轴伺服驱动器的直流母线电压波动最大，母线电解电容的纹波电流最大，2轴伺服驱动器寿命最短。因此本具体实施案例针对2轴伺服驱动器进行评估。

如图1所示，包含四轴机器人专用伺服驱动器、伺服电机、多路温度测量仪，其中伺服驱动器包含整流部件、母线支撑部件和逆变部件。母线支撑部件由母线电解电容组成，在伺服驱动器交-直-交转换中起到储能支撑功能。本例中7.5KW伺服驱动器的母线支撑部件为6个820Uf/400V铝电解电容；6个电解电容容芯内置热敏电阻，其阻值信号由导线引出，导线连接至多路温度测量仪，用于实时测量电解电容的容芯温度。

伺服驱动器带机器人电机，按照机器人实际工况运行，每隔30分钟记录多路温度测量仪显示的6个温度读数，并记录环境温度，制成表格。表1为机器人不间断运行5小时的温度记录表格。

电解电容的评估寿命：

$L_x=L_0*2^{(T_1-T_2)/10}*K_v---\left(1\right)$

K_v＝(U_r/U_a)^2.5(U_a≤0.6U_r,U_a＝0.6U_r)

本例中，根据电解电容数据手册，T₁＝95℃，L₀＝5000h，U_r＝400V。从表1可以看出，电解电容中最高的容芯温升△T＝17.3℃。按机器人使用环境温度上限40℃计算，驱动器在环境上限温度工况下工作时，推算的电解电容容芯温度T₂＝57.3℃。在机器人运行过程中，用示波器测得母线电压的等效有效值U_a为375V。

把以上数据代入公式(1)，得电解电容的评估寿命L_x＝9年，即2轴伺服驱动器母线电解电容的最低评估寿命为9年。而本例的机器人工况中，伺服驱动器的寿命主要取决于母线电解电容的寿命，且2轴驱动器的母线电容寿命相对其它轴而言较短，进而得出整个机器人系统中，伺服驱动器的评估寿命至少为9年。

Claims (1)

1.一种电机驱动器母线电解电容寿命评估方法，其步骤是：

步骤一，在驱动器各个母线的电解电容的容芯内均内置一热敏电阻，电阻信号通过导线引出，连接至多路温度测试仪；

步骤二，驱动器拖动电机，带动机械本体模拟实际工况长期不间断运行；每隔一个设定的时间间隔，用多路温度测试仪读取每一个电解电容工作状态下的容芯温度以及工作环境温度；同时，用示波器测试驱动器母线电压波形，取母线电压等效有效值U_a；

计算各个电解电容容芯温升△T_i，

△T_i＝母线电解电容工作状态下的容芯温度-工作环境温度；

步骤三，选出所有电解电容中最高的容芯温升△T，选定驱动器工作环境上限温度，推算驱动器在环境上限温度工况下工作时，电解电容容芯温度T₂：

T₂＝驱动器工作环境上限温度+△T；

步骤四，计算电解电容的评估寿命：

$L_x=L_0*2^{(T_1-T_2)/10}*K_v$

其中：K_v＝(U_r/U_a)^2.5(U_a≤0.6U_r,U_a＝0.6U_r)

T₁：在环境上限温度工况下，电解电容容芯最高允许温度；

L₀：电解电容额定使用寿命；

L_x：电解电容的评估寿命；

U_r：电解电容的额定使用电压(V)；

K_v：母线电压的修正系数。