基于西門子S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的單軸驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)雙力矩電機(jī)研究

通用技術(shù)集團(tuán)大連機(jī)床有限責(zé)任公司 王坤 付純連

1 引言

針對(duì)AC軸中的A軸采用由兩個(gè)完全相同的力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，在電氣控制上采用由一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器連接、驅(qū)動(dòng)兩個(gè)力矩電機(jī)的方法。同以往采用由兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行同步軸的控制方法相比，其具有控制簡便、降低成本、縮短調(diào)試周期等優(yōu)點(diǎn)，并能保證A 軸高速、高精度的定位要求。

2 電氣連接

某項(xiàng)目設(shè)計(jì)的A 軸中，采用兩個(gè)完全相同的力矩電機(jī)并聯(lián)布置的安裝結(jié)構(gòu)。A軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 A軸結(jié)構(gòu)

針對(duì)這種結(jié)構(gòu)，在電氣連接上對(duì)兩個(gè)力矩電機(jī)也采用并聯(lián)連接、驅(qū)動(dòng)的方式，即采用西門子S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使用一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)力矩電機(jī)。主控制器選用的是西門子840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)于驅(qū)動(dòng)器選型，需要滿足兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作時(shí)的功率輸出，所以驅(qū)動(dòng)器的輸出功率和最大輸出電流要大于兩個(gè)力矩電機(jī)所需的功率和最大電流之和。

由于A軸兩個(gè)力矩電機(jī)的安裝方式是并聯(lián)安裝，因此兩個(gè)力矩電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向不同。需將其中一個(gè)力矩電機(jī)的V相和W相進(jìn)行交換連接，而U相保持不變。驅(qū)動(dòng)器選型最大電流需要滿足兩個(gè)電機(jī)電流之和。S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與A軸連接如圖2所示。

圖2 S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與A軸連接

對(duì)于位置反饋系統(tǒng)，在一個(gè)電機(jī)側(cè)安裝圓光柵進(jìn)行位置檢測(cè)，就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)的全閉環(huán)控制。

3 機(jī)械安裝角度的調(diào)整

當(dāng)A 軸的兩個(gè)力矩電機(jī)并聯(lián)布置時(shí)，必須檢查各電機(jī)相位角情況。如果電氣相位角不一致，由于感應(yīng)電流的速度差異，會(huì)導(dǎo)致力矩電機(jī)的功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)降低、噪聲增大、過熱、過載并觸發(fā)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)報(bào)警等一系列問題。

通過測(cè)出兩個(gè)力矩電機(jī)的電氣相位角，計(jì)算機(jī)械安裝角差值，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子或定子的機(jī)械安裝角度消除電氣相位角偏差值。電氣相位差測(cè)量是兩個(gè)同頻率正弦電壓的對(duì)應(yīng)點(diǎn)間角度差值的測(cè)量。力矩電機(jī)的機(jī)械安裝角、電氣相位角及極對(duì)數(shù)關(guān)系如下：

機(jī)械安裝角=電氣相位角/極對(duì)數(shù)

由于力矩電機(jī)的極對(duì)數(shù)是定值，根據(jù)電氣相位角就可以算出機(jī)械安裝角。兩個(gè)電氣相位角的偏差值應(yīng)小于±5°，才能保證并聯(lián)布置安裝的兩個(gè)力矩電機(jī)的靜態(tài)功能[1]。

電氣相位差測(cè)量的方法為A 軸的兩個(gè)力矩電機(jī)的機(jī)械安裝完成，連接雙通道示波器與力矩電機(jī)，使A 軸處于可以自由旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，通過外力旋轉(zhuǎn)A軸，利用雙通道示波器測(cè)量兩個(gè)力矩電機(jī)的反向電壓波形，再計(jì)算電氣相位角的偏差值，計(jì)算如下：

最后調(diào)整力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子或定子的機(jī)械安裝角度，再次進(jìn)行電氣相位差測(cè)量，直到其間的電氣相位角偏差值小于±5°為止。雙通道示波器與A 軸力矩電機(jī)連接如圖3所示，示波器波形如圖4所示。

圖3 雙通道示波器與A軸力矩電機(jī)連接

圖4 示波器波形

4 參數(shù)設(shè)定

當(dāng)硬件連接好并對(duì)系統(tǒng)初次送電以后，需要對(duì)S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)等進(jìn)行拓?fù)渥R(shí)別，配置參數(shù)[2]。由于兩個(gè)力矩電機(jī)的電氣連接采用并聯(lián)連接，電流值（參數(shù)p305、p323、p338、p318）和轉(zhuǎn)矩值（參數(shù)p312、p319）要在原有電機(jī)參數(shù)的基礎(chǔ)上乘以2。同時(shí)，電機(jī)的電阻值（參數(shù)p350）和電感值（參數(shù)p356）要在原有電機(jī)參數(shù)的基礎(chǔ)上除以2，電機(jī)的極對(duì)數(shù)（P314），力矩常數(shù)（p316），及轉(zhuǎn)速值（P311，P322）保持不變。電機(jī)數(shù)據(jù)如圖5所示，可選電機(jī)數(shù)據(jù)如圖6所示，配置電機(jī)電阻和電感如圖7所示。

圖5 電機(jī)數(shù)據(jù)

圖6 可選電機(jī)數(shù)據(jù)

圖7 配置電機(jī)電阻和電感

5 調(diào)試

5.1 磁極位置檢測(cè)

配置完所有電機(jī)參數(shù)后，需要對(duì)力矩電機(jī)進(jìn)行磁極位置檢測(cè)。磁極位置檢測(cè)（PolID）功能，用于確定力矩電機(jī)的磁極位置，實(shí)現(xiàn)精確控制力矩電機(jī)，確保驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全功能的無故障運(yùn)行。

對(duì)于使用絕對(duì)位置的角度編碼器，磁極位置檢測(cè)方法和步驟如下。一是按下“緊急停止”按鈕，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處于緊急停止?fàn)顟B(tài)；二是按電機(jī)最大電流（參數(shù)p323）的30%設(shè)置電機(jī)磁極位置識(shí)別電流 （參數(shù)p329）。三是設(shè)置p1980=1，選擇磁極位置方法為飽和法，1 次諧波；四是設(shè)置p1990=1，激活一次磁極位置檢測(cè)并傳送數(shù)據(jù)；五是松開“緊急停止”按鈕后給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)送脈沖使能，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行磁極位置檢測(cè)，并將測(cè)出的角度差（參數(shù)p1984）記錄在參數(shù)p0431 中；六是檢測(cè)完成后，參數(shù)p1990會(huì)自動(dòng)變回0；七是保存參數(shù)。

5.2 伺服優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)高速、高精度的定位、加工，消除噪音和震動(dòng)，需要對(duì)S120 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)優(yōu)化。

由于采用第三方的力矩電機(jī)，因此首先要優(yōu)化電流環(huán)。借助西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)自帶的電流環(huán)測(cè)試功能，可以測(cè)試A 軸力矩電機(jī)電流環(huán)的幅頻特性和相頻特性。對(duì)于電流環(huán)幅頻特性曲線，要求其幅值沿著0dB（不超過0dB）向右，越平直越好，下降的拐點(diǎn)越靠近1000Hz越好。通過更改電流環(huán)P增益Kpi（參數(shù)p1715），可以使其沿著0dB線達(dá)到盡可能高的頻率。對(duì)于電流環(huán)相頻特性曲線，要求其沿著0°線向右，至1000Hz 左右轉(zhuǎn)向±180°。電流環(huán)幅頻曲線和相頻曲線如圖8所示。

圖8 電流環(huán)幅頻曲線和相頻曲線

當(dāng)電流環(huán)優(yōu)化完成后，借助西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)自帶的自動(dòng)伺服優(yōu)化（AST）功能可以自動(dòng)完成對(duì)A軸力矩電機(jī)的速度環(huán)和位置環(huán)的測(cè)量和優(yōu)化。對(duì)于速度環(huán)幅頻特性曲線，其幅值響應(yīng)帶寬（也就是幅頻曲線上0dB 區(qū)間）要足夠?qū)?，最好能達(dá)到100～200Hz，達(dá)不到要求的話，至少要保證100Hz的頻率帶寬，幅值允許少量超調(diào)，但要小于3dB。速度環(huán)幅頻曲線和相頻曲線如圖9所示。

圖9 速度環(huán)幅頻曲線和相頻曲線

對(duì)于位置環(huán)幅頻特性曲線，其幅值在整個(gè)頻率范圍內(nèi)不超過0dB。位置環(huán)幅頻曲線和相頻曲線如圖10所示。

圖10 位置環(huán)幅頻曲線和相頻曲線

6 溫度監(jiān)控

雙電機(jī)并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，如果兩個(gè)力矩電機(jī)相位角不一致，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過熱或系統(tǒng)負(fù)載報(bào)警，為了防止這些情況的發(fā)生，對(duì)電機(jī)的每一相線圈均使用了KTC溫度傳感器進(jìn)行溫度過載保護(hù)，并使用KTY溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度的測(cè)量。電機(jī)線圈溫度監(jiān)控如圖11所示。

圖11 電機(jī)線圈溫度監(jiān)控

對(duì)于電機(jī)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以將兩個(gè)電機(jī)的PTC傳感器串聯(lián)接入到驅(qū)動(dòng)器中，從而使任意一相線圈過熱均會(huì)被驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)控，從而進(jìn)行電機(jī)的過熱保護(hù)，KTY 傳感器可以用于數(shù)控系統(tǒng)中的具體實(shí)際溫度顯示，只將一個(gè)電機(jī)的KTY 傳感器接入系統(tǒng)即可。對(duì)于S120 驅(qū)動(dòng)器，使用端子模塊TM120 接受力矩電機(jī)的溫度傳感器溫度信號(hào)，之后通過西門子數(shù)控系統(tǒng)專用的DRIVE-CLiQ協(xié)議傳送的數(shù)控系統(tǒng)中。并聯(lián)電機(jī)溫度傳感器連接方法如圖12所示。

圖12 并聯(lián)電機(jī)溫度傳感器連接方法

7 結(jié)語

采用一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器連接、驅(qū)動(dòng)A 軸的兩個(gè)力矩電機(jī)的方法，對(duì)比傳統(tǒng)的雙電機(jī)雙驅(qū)動(dòng)同步控制，在滿足A 軸的同步性及電機(jī)的性能發(fā)揮情況下，同時(shí)降低電氣成本的同時(shí)。在配置角度編碼器后，完全滿足高速、高精度定位要求的應(yīng)用。