通用技術(shù)集團大連機床有限責任公司 王坤 付純連

1 引言

針對AC軸中的A軸采用由兩個完全相同的力矩電機驅(qū)動的方式，在電氣控制上采用由一個伺服驅(qū)動器連接、驅(qū)動兩個力矩電機的方法。同以往采用由兩個伺服驅(qū)動器進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，并能保證A 軸高速、高精度的定位要求。

2 電氣連接

某項目設計的A 軸中，采用兩個完全相同的力矩電機并聯(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)

針對這種結(jié)構(gòu)，在電氣連接上對兩個力矩電機也采用并聯(lián)連接、驅(qū)動的方式，即采用西門子S120驅(qū)動系統(tǒng)，使用一個伺服驅(qū)動器來驅(qū)動這兩個力矩電機。主控制器選用的是西門子840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)，對于驅(qū)動器選型，需要滿足兩個電機同時工作時的功率輸出，所以驅(qū)動器的輸出功率和最大輸出電流要大于兩個力矩電機所需的功率和最大電流之和。

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

圖2 S120驅(qū)動系統(tǒng)與A軸連接

對于位置反饋系統(tǒng)，在一個電機側(cè)安裝圓光柵進行位置檢測，就可以實現(xiàn)這個結(jié)構(gòu)的全閉環(huán)控制。

3 機械安裝角度的調(diào)整

當A 軸的兩個力矩電機并聯(lián)布置時，必須檢查各電機相位角情況。如果電氣相位角不一致，由于感應電流的速度差異，會導致力矩電機的功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)降低、噪聲增大、過熱、過載并觸發(fā)驅(qū)動系統(tǒng)報警等一系列問題。

通過測出兩個力矩電機的電氣相位角，計算機械安裝角差值，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子或定子的機械安裝角度消除電氣相位角偏差值。電氣相位差測量是兩個同頻率正弦電壓的對應點間角度差值的測量。力矩電機的機械安裝角、電氣相位角及極對數(shù)關系如下：

機械安裝角=電氣相位角/極對數(shù)

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

電氣相位差測量的方法為A 軸的兩個力矩電機的機械安裝完成，連接雙通道示波器與力矩電機，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量兩個力矩電機的反向電壓波形，再計算電氣相位角的偏差值，計算如下：

最后調(diào)整力矩電機的轉(zhuǎn)子或定子的機械安裝角度，再次進行電氣相位差測量，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軸力矩電機連接

圖4 示波器波形

4 參數(shù)設定

當硬件連接好并對系統(tǒng)初次送電以后，需要對S120驅(qū)動系統(tǒng)的電機驅(qū)動模塊和電機等進行拓撲識別，配置參數(shù)[2]。由于兩個力矩電機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）要在原有電機參數(shù)的基礎上乘以2。同時，電機的電阻值（參數(shù)p350）和電感值（參數(shù)p356）要在原有電機參數(shù)的基礎上除以2，電機的極對數(shù)（P314），力矩常數(shù)（p316），及轉(zhuǎn)速值（P311，P322）保持不變。電機數(shù)據(jù)如圖5所示，可選電機數(shù)據(jù)如圖6所示，配置電機電阻和電感如圖7所示。

圖5 電機數(shù)據(jù)

圖6 可選電機數(shù)據(jù)

圖7 配置電機電阻和電感

5 調(diào)試

5.1 磁極位置檢測

配置完所有電機參數(shù)后，需要對力矩電機進行磁極位置檢測。磁極位置檢測（PolID）功能，用于確定力矩電機的磁極位置，實現(xiàn)精確控制力矩電機，確保驅(qū)動系統(tǒng)的安全功能的無故障運行。

對于使用絕對位置的角度編碼器，磁極位置檢測方法和步驟如下。一是按下“緊急停止”按鈕，使驅(qū)動系統(tǒng)處于緊急停止狀態(tài)；二是按電機最大電流（參數(shù)p323）的30%設置電機磁極位置識別電流 （參數(shù)p329）。三是設置p1980=1，選擇磁極位置方法為飽和法，1 次諧波；四是設置p1990=1，激活一次磁極位置檢測并傳送數(shù)據(jù)；五是松開“緊急停止”按鈕后給驅(qū)動系統(tǒng)送脈沖使能，驅(qū)動系統(tǒng)自動執(zhí)行磁極位置檢測，并將測出的角度差（參數(shù)p1984）記錄在參數(shù)p0431 中；六是檢測完成后，參數(shù)p1990會自動變回0；七是保存參數(shù)。

5.2 伺服優(yōu)化

為了實現(xiàn)高速、高精度的定位、加工，消除噪音和震動，需要對S120 驅(qū)動系統(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，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)測試功能，可以測試A 軸力矩電機電流環(huán)的幅頻特性和相頻特性。對于電流環(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線達到盡可能高的頻率。對于電流環(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)自帶的自動伺服優(yōu)化（AST）功能可以自動完成對A軸力矩電機的速度環(huán)和位置環(huán)的測量和優(yōu)化。對于速度環(huán)幅頻特性曲線，其幅值響應帶寬（也就是幅頻曲線上0dB 區(qū)間）要足夠?qū)?，最好能達到100～200Hz，達不到要求的話，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

對于位置環(huán)幅頻特性曲線，其幅值在整個頻率范圍內(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

雙電機并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，如果兩個力矩電機相位角不一致，會導致電機過熱或系統(tǒng)負載報警，為了防止這些情況的發(fā)生，對電機的每一相線圈均使用了KTC溫度傳感器進行溫度過載保護，并使用KTY溫度傳感器進行實時溫度的測量。電機線圈溫度監(jiān)控如圖11所示。

圖11 電機線圈溫度監(jiān)控

對于電機的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以將兩個電機的PTC傳感器串聯(lián)接入到驅(qū)動器中，從而使任意一相線圈過熱均會被驅(qū)動系統(tǒng)監(jiān)控，從而進行電機的過熱保護，KTY 傳感器可以用于數(shù)控系統(tǒng)中的具體實際溫度顯示，只將一個電機的KTY 傳感器接入系統(tǒng)即可。對于S120 驅(qū)動器，使用端子模塊TM120 接受力矩電機的溫度傳感器溫度信號，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)電機溫度傳感器連接方法如圖12所示。

圖12 并聯(lián)電機溫度傳感器連接方法

7 結(jié)語

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