數(shù)控機(jī)床中直接驅(qū)動(dòng)力矩電動(dòng)機(jī)的電抗保護(hù)

于國(guó)豐 卞 莉

（德國(guó)伊爾梅瑙工業(yè)大學(xué)，德國(guó)伊爾梅瑙 98693）

1 直接驅(qū)動(dòng)力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)波形畸變的原因

對(duì)直接驅(qū)動(dòng)力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生畸變的原因分析，可以從電磁兼容，動(dòng)力線(xiàn)寄生電抗等多角度進(jìn)行研究。而區(qū)別于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心原因則是由于直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)輸出波形提出的更高要求。這主要體現(xiàn)在直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要配合數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)特性，以及由于力矩電動(dòng)機(jī)通常具有較高磁極對(duì)數(shù)，這就在機(jī)械系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速輸出大扭矩的情況下要求數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出高頻電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)氣隙電磁場(chǎng)的高轉(zhuǎn)速。同時(shí)，由于波形頻率的提高，高頻波形在數(shù)控驅(qū)動(dòng)輸出端與電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)之間以及電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)與電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈之間發(fā)生的高頻波反射也不能忽略。這種反射不斷在連接點(diǎn)之間重復(fù)，并直接在驅(qū)動(dòng)電流波形上疊加高次諧波分量，造成波形的畸變。

1.1 數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出PWM波形du/dt值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)

目前，驅(qū)動(dòng)力矩電動(dòng)機(jī)所采用的數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多采用PWM脈寬調(diào)制輸出信號(hào)，如圖1。圖1a中du代表單位時(shí)間dt內(nèi)的電壓變化量。圖1b為波形在電動(dòng)機(jī)力線(xiàn)中發(fā)生畸變的示意圖。

為了降低數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)功電損耗，生產(chǎn)商在通常情況下都盡力降低dt，也就是說(shuō)，代表單位時(shí)間內(nèi)電壓變化量的du/dt將大大提高，甚至可以達(dá)到12 kV/!s。而按照目前德國(guó)制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) VDE0530，電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈絕緣等級(jí)是按照電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈可承受du/dt值在500～1 000 V/!s范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的。因此，從PWM波形電壓躍變速度看，當(dāng)前與直接驅(qū)動(dòng)力矩電動(dòng)機(jī)配套的數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所輸出波形的du/dt值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈可承受的電壓變化速度。

1.2 電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)寄生電抗造成的波形畸變

隨著電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)的不斷加長(zhǎng)，數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載中電感型阻抗不斷加大，造成波形持續(xù)惡化。如圖1b所示，電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)越長(zhǎng)，波形中的電壓尖峰也越高，甚至可以達(dá)到1 600 V或更高。按照目前德國(guó)制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)VDE0530，電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈絕緣層應(yīng)能承受小于1 000 V的尖峰電壓。

因此，在機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能縮短電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)長(zhǎng)度。但在實(shí)際工程中，有些情況下很難縮短電控柜與直接驅(qū)動(dòng)零部件的距離。在國(guó)產(chǎn)化的五軸葉片加工中心設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)排布優(yōu)化，左右兩個(gè)力矩電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力線(xiàn)成功地控制在5.5 m和15 m以?xún)?nèi)。而龍門(mén)式加工中心雙擺銑頭中的力矩電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)長(zhǎng)度則很難控制。

通過(guò)圖2與圖3的對(duì)比，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)長(zhǎng)度對(duì)波形畸變的影響有一個(gè)更為直觀的了解。對(duì)比中，我們采用Siemens公司的SIMODRIVE611系統(tǒng)，其直流母線(xiàn)電壓為600 V，工作頻率選定8 kHz。力矩電動(dòng)機(jī)采用德國(guó)IDAM公司的RM-3P-760系列電動(dòng)機(jī)。

因此，從電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)帶來(lái)的波形畸變來(lái)看，當(dāng)電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)時(shí)，波形中疊加尖峰電壓也越大。當(dāng)電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)超過(guò)20 m以后，尖峰電壓對(duì)于電動(dòng)機(jī)絕緣性和壽命的影響就不容忽視。

1.3 電磁兼容對(duì)波形的影響

數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)也會(huì)由于電磁兼容問(wèn)題發(fā)生波形畸變。這些原因包括電網(wǎng)的穩(wěn)定性、電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)電纜以及傳感器信號(hào)線(xiàn)的電磁屏蔽性能等。通過(guò)采用合理的線(xiàn)纜排布和屏蔽處理可以降低電磁兼容問(wèn)題帶來(lái)的影響。電磁兼容問(wèn)題將成為今后機(jī)床系統(tǒng)提高精度等級(jí)和系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素之一。

2 波形畸變對(duì)電動(dòng)機(jī)壽命以及對(duì)機(jī)床精度的影響

2.1 波形畸變對(duì)電動(dòng)機(jī)壽命的影響

如1.1中所述，在數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出高du/dt比值的PWM波形時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)最長(zhǎng)不超過(guò)20 m，動(dòng)力線(xiàn)阻抗相對(duì)于電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈阻抗可以忽略，驅(qū)動(dòng)信號(hào)瞬時(shí)電壓變化量將直接作用于電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈的絕緣層。由于電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈中匝與匝之間的導(dǎo)線(xiàn)是相對(duì)平行排布的，線(xiàn)圈電容在電壓值持續(xù)躍變的驅(qū)動(dòng)信號(hào)下不斷地重復(fù)充放電過(guò)程。最終，電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈絕緣層將處于不斷重復(fù)的反向極化過(guò)程中。即使線(xiàn)圈絕緣層中存在很小的瑕疵，也將在持續(xù)不斷的反向極化過(guò)程中形成所謂的“熱點(diǎn)”，并最終形成電擊穿點(diǎn)。

隨著驅(qū)動(dòng)信號(hào)du/dt值的不斷提高，直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈將不再像工作于50 Hz的傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)中線(xiàn)圈那樣表現(xiàn)為電感型負(fù)載，而逐漸表現(xiàn)為電容性負(fù)載。與此同時(shí)，隨著電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)的不斷加長(zhǎng)，數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出端所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載也不斷累加與電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)長(zhǎng)度成正比的電感型阻抗。雖然由于電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)電抗分量不斷提高而使作用于電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈絕緣層的反向極化影響逐漸降低，但在驅(qū)動(dòng)電壓高速變化情況下，電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)中不斷提高的電感型阻抗將在電壓上升沿和下降沿造成波形畸變。疊加的尖峰電壓將直接作用于電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈的絕緣層上，并造成電動(dòng)機(jī)渦流損耗增大，電動(dòng)機(jī)工作溫度上升，加速電動(dòng)機(jī)絕緣層的老化，降低電動(dòng)機(jī)使用壽命，影響機(jī)床系統(tǒng)的技術(shù)可靠性。

由此可見(jiàn)，為了提高力矩電動(dòng)機(jī)使用壽命，提高機(jī)床的技術(shù)可靠性，必須采用相應(yīng)措施對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

2.2 波形畸變對(duì)機(jī)床加工精度的影響

由于數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的PWM波形具有很高的du/dt值，同時(shí)力矩電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)長(zhǎng)度帶來(lái)的寄生電感，力矩電動(dòng)機(jī)相驅(qū)動(dòng)電流將發(fā)生畸變。如圖4所示。

驅(qū)動(dòng)電流的畸變將導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流波形與電動(dòng)機(jī)自身的電動(dòng)機(jī)常數(shù)曲線(xiàn)吻合度下降，導(dǎo)致力矩電動(dòng)機(jī)的輸出力矩發(fā)生周期性波動(dòng)，直接影響系統(tǒng)的瞬時(shí)定位精度，增加電動(dòng)機(jī)的渦流損耗以及運(yùn)行噪聲，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度升高，降低電動(dòng)機(jī)工作效率并加速電動(dòng)機(jī)老化。

在五軸葉片加工中心中，被加工葉片在工件旋轉(zhuǎn)軸上通過(guò)左右兩端力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的臥式轉(zhuǎn)臺(tái)夾持，力矩電動(dòng)機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)力矩在畸變的驅(qū)動(dòng)波形驅(qū)動(dòng)下將出現(xiàn)力矩波動(dòng)，工件軸左右兩端不平衡的應(yīng)力將作用在被加工葉片上，使葉片處于微觀抖動(dòng)狀態(tài)，工件軸自身兩電動(dòng)機(jī)的同步性以及工件軸同加工軸的同步性也將發(fā)生微量偏差。在這樣的情況下，葉片的表面加工精度等級(jí)很難提高，加工好的葉片還必須經(jīng)過(guò)精磨才能投入使用，以降低汽輪機(jī)在使用過(guò)程中的噪聲、振動(dòng)和葉片損耗。對(duì)于驅(qū)動(dòng)波形中畸變分量對(duì)力矩電動(dòng)機(jī)輸出力矩造成的波動(dòng)，可以參考相關(guān)資料。

由上可見(jiàn)，即使不考慮電動(dòng)機(jī)絕緣層老化速度和電動(dòng)機(jī)實(shí)際使用壽命，從降低力矩電動(dòng)機(jī)力矩輸出波動(dòng)，進(jìn)而提高定位精度和工件加工精度等級(jí)的角度看，也應(yīng)該采用相應(yīng)措施對(duì)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行濾波整形。

2.3 電動(dòng)機(jī)的電抗保護(hù)

在電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)較長(zhǎng)的情況下，如果在數(shù)控驅(qū)動(dòng)輸出端和力矩電動(dòng)機(jī)之間加裝電抗器，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的整形，可以有效消除驅(qū)動(dòng)波形的畸變分量，消除驅(qū)動(dòng)波形中的高次諧波分量，有效對(duì)電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈進(jìn)行保護(hù)，從而提高電動(dòng)機(jī)使用壽命和機(jī)床加工精度。電抗器安裝和功能示意圖如圖5所示。

目前，在市場(chǎng)上有不同種類(lèi)的電抗器，主要為du/dt型電抗器和Sin型電抗器。他們的主要區(qū)別為：du/dt型電抗器為L(zhǎng)型電抗器，通過(guò)在電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線(xiàn)中串聯(lián)電感型電抗器對(duì)高次諧波分量進(jìn)行抑制。而Sin型電抗器則為L(zhǎng)C型電抗器，他具有更好的波形整形作用，但是因?yàn)闀r(shí)間常數(shù)過(guò)大而對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有所影響。因此，具體采用何種類(lèi)型和型號(hào)的電抗器，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行選用。

雖然加裝電抗器會(huì)增加機(jī)床制造廠商的生產(chǎn)成本，增加零部件和制造工序并帶來(lái)空間排布等問(wèn)題，但這將提高設(shè)備技術(shù)可靠性和產(chǎn)品加工精度，并且可以通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)有效延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)使用壽命，為最終用戶(hù)降低維修成本，避免由于意外停機(jī)而造成的附加損失。

［1］Schaffner Holding，EMC and Power Quality-Solutions for Industrial Power Systems，Luterbach in Switzerland，2009.

［2］Melly，Stefan，Neues Ausgangsfilterkonzept fuer die Antriebstechnik，Luterbach in Switzerland，2002（8）.

［3］Unger，Hans-Georg，Elektromagnetische Wellen auf Leitungen，Heidelberg：Hüthig，1996.

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