基于西門子S120驅動系統的單軸驅動器驅動雙力矩電機研究

通用技術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動的方式，在電氣控制上采用由一個伺服驅動器連接、驅動兩個力矩電機的方法。同以往采用由兩個伺服驅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、縮短調試周期等優點，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布置的安裝結構。A軸結構如圖1所示。

圖1 A軸結構

針對這種結構，在電氣連接上對兩個力矩電機也采用并聯連接、驅動的方式，即采用西門子S120驅動系統，使用一個伺服驅動器來驅動這兩個力矩電機。主控制器選用的是西門子840Dsl 數控系統，對于驅動器選型，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安裝，因此兩個力矩電機的旋轉方向不同。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。驅動器選型最大電流需要滿足兩個電機電流之和。S120驅動系統與A軸連接如圖2所示。

圖2 S120驅動系統與A軸連接

對于位置反饋系統，在一個電機側安裝圓光柵進行位置檢測，就可以實現這個結構的全閉環控制。

3 機械安裝角度的調整

當A 軸的兩個力矩電機并聯布置時，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和轉矩常數降低、噪聲增大、過熱、過載并觸發驅動系統報警等一系列問題。

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，通過調整轉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關系如下：

機械安裝角=電氣相位角/極對數

由于力矩電機的極對數是定值，根據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°，才能保證并聯布置安裝的兩個力矩電機的靜態功能[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的狀態，通過外力旋轉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：

最后調整力矩電機的轉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 參數設定

當硬件連接好并對系統初次送電以后，需要對S120驅動系統的電機驅動模塊和電機等進行拓撲識別，配置參數[2]。由于兩個力矩電機的電氣連接采用并聯連接，電流值（參數p305、p323、p338、p318）和轉矩值（參數p312、p319）要在原有電機參數的基礎上乘以2。同時，電機的電阻值（參數p350）和電感值（參數p356）要在原有電機參數的基礎上除以2，電機的極對數（P314），力矩常數（p316），及轉速值（P311，P322）保持不變。電機數據如圖5所示，可選電機數據如圖6所示，配置電機電阻和電感如圖7所示。

圖5 電機數據

圖6 可選電機數據

圖7 配置電機電阻和電感

5 調試

5.1 磁極位置檢測

配置完所有電機參數后，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，實現精確控制力矩電機，確保驅動系統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，使驅動系統處于緊急停止狀態；二是按電機最大電流（參數p323）的30%設置電機磁極位置識別電流 （參數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據；五是松開“緊急停止”按鈕后給驅動系統送脈沖使能，驅動系統自動執行磁極位置檢測，并將測出的角度差（參數p1984）記錄在參數p0431 中；六是檢測完成后，參數p1990會自動變回0；七是保存參數。

5.2 伺服優化

為了實現高速、高精度的定位、加工，消除噪音和震動，需要對S120 驅動系統的電流環、速度環、位置環優化。

由于采用第三方的力矩電機，因此首先要優化電流環。借助西門子840Dsl數控系統自帶的電流環測試功能，可以測試A 軸力矩電機電流環的幅頻特性和相頻特性。對于電流環幅頻特性曲線，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P增益Kpi（參數p1715），可以使其沿著0dB線達到盡可能高的頻率。對于電流環相頻特性曲線，要求其沿著0°線向右，至1000Hz 左右轉向±180°。電流環幅頻曲線和相頻曲線如圖8所示。

圖8 電流環幅頻曲線和相頻曲線

當電流環優化完成后，借助西門子840Dsl數控系統自帶的自動伺服優化（AST）功能可以自動完成對A軸力矩電機的速度環和位置環的測量和優化。對于速度環幅頻特性曲線，其幅值響應帶寬（也就是幅頻曲線上0dB 區間）要足夠寬，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，但要小于3dB。速度環幅頻曲線和相頻曲線如圖9所示。

圖9 速度環幅頻曲線和相頻曲線

對于位置環幅頻特性曲線，其幅值在整個頻率范圍內不超過0dB。位置環幅頻曲線和相頻曲線如圖10所示。

圖10 位置環幅頻曲線和相頻曲線

6 溫度監控

雙電機并聯結構中，如果兩個力矩電機相位角不一致，會導致電機過熱或系統負載報警，為了防止這些情況的發生，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。電機線圈溫度監控如圖11所示。

圖11 電機線圈溫度監控

對于電機的并聯結構，可以將兩個電機的PTC傳感器串聯接入到驅動器中，從而使任意一相線圈過熱均會被驅動系統監控，從而進行電機的過熱保護，KTY 傳感器可以用于數控系統中的具體實際溫度顯示，只將一個電機的KTY 傳感器接入系統即可。對于S120 驅動器，使用端子模塊TM120 接受力矩電機的溫度傳感器溫度信號，之后通過西門子數控系統專用的DRIVE-CLiQ協議傳送的數控系統中。并聯電機溫度傳感器連接方法如圖12所示。

圖12 并聯電機溫度傳感器連接方法

7 結語

采用一個伺服驅動器連接、驅動A 軸的兩個力矩電機的方法，對比傳統的雙電機雙驅動同步控制，在滿足A 軸的同步性及電機的性能發揮情況下，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。