一、    概述

随着现代制造业的发展，采用力矩电机的AC轴得到越来越多的应用。针对AC轴中的A轴采用由两个完全相同的力矩电机驱动的方式，我们在电气控制上采用由一个伺服驱动器连接、驱动两个力矩电机的方法。同以往采用由两个伺服驱动器驱动的方法相比，它具有控制简便、降低成本、缩短调试周期等优点，并能保证A轴高速、高精度的定位要求。

二、    电气连接

在为某项目设计的A轴中，采用了两个完全相同的力矩电机并联布置的安装结构。

图1  A轴结构

针对这种结构，我们在电气连接上对两个力矩电机也采用并联连接、驱动的方式，即采用西门子S120驱动系统，使用一个伺服驱动器来驱动这两个力矩电机。主控制器选用的是西门子840Dsl数控系统。

由于A轴两个力矩电机的安装方式是并联安装，因此两个力矩电机的旋转方向不同。需将其中一个力矩电机的V相和W相进行交换连接，而U相保持不变。驱动器选型最大电流需要满足两个电机电流之和。

图2  S120驱动系统与A轴连接

三、    机械安装角度的调整

当A轴的两个力矩电机并联布置时，必须检查各电机相位角情况。如果电气相位角不一致，由于感应电流的速度差异，会导致力矩电机的功率因数和转矩常数降低、噪声增大、过热、过载并触发驱动系统报警等一系列问题。

通过测出两个力矩电机的电气相位角，进而计算出机械安装角差值，通过调整转子或定子的机械安装角度来消除电气相位角偏差值。

电气相位差测量是两个同频率正弦电压的对应点间角度差值的测量。力矩电机的机械安装角、电气相位角及极对数有如下关系：

机械安装角=电气相位角/极对数

由于力矩电机的极对数是定值，根据电气相位角就可以算出机械安装角。两个电气相位角的偏差值应小于±5°，才能保证并联布置安装的两个力矩电机的静态功能。

电气相位差测量的方法如下：

1.       A轴的两个力矩电机的机械安装完成；

2.     连接双通道示波器与力矩电机；

图3 双通道示波器与A轴力矩电机连接

3.     使A轴处于可以自由旋转的状态，通过外力旋转A轴，利用双通道示波器测量两个力矩电机的反向电压波形；

图4 示波器波形

4.     计算电气相位角的偏差值，公式如下：

5.     调整力矩电机的转子或定子的机械安装角度，再次进行电气相位差测量，直到它们之间的电气相位角偏差值小于±5°为止。

四、    参数设定

当硬件连接好并对系统初次送电以后，需要对S120驱动系统的电机驱动模块和电机等进行拓扑识别，配置参数。

由于两个力矩电机的电气连接采用并联连接，电流值（参数p305、p323、p338、p318）和转矩值（参数p312、p319）要在原有电机参数的基础上乘以2。同时，电机的电阻值（参数p350）和电感值（参数p356）要在原有电机参数的基础上除以2。

图5 电机数据

图6 可选电机数据

图7 配置电机电阻和电感

五、    调试

1.     磁极位置检测

配置完所有电机参数后，需要对力矩电机进行磁极位置检测。

磁极位置检测（PolID）功能，用于确定力矩电机的磁极位置，实现精确控制力矩电机，确保驱动系统的安全功能的无故障运行。

对于使用绝对位置的角度编码器，磁极位置检测方法和步骤如下：

1)      按下“紧急停止”按钮，使驱动系统处于紧急停止状态；

2)      按电机最大电流(参数p323)的30%设置电机磁极位置识别电流 (参数p329)。

3)      设置p1980=1，选择磁极位置方法为饱和法，1次谐波；

4)      设置p1990 = 1，激活一次磁极位置检测并传送数据；

5)      松开“紧急停止”按钮后给驱动系统送脉冲使能，驱动系统自动执行磁极位置检测，并将测出的角度差(参数p1984)记录在参数p0431 中；

6)      检测完成后，参数p1990会自动变回0；

7)      保存参数。

2.     伺服优化

为了实现高速、高精度的定位、加工，消除噪音和震动，需要对S120驱动系统的电流环、速度环、位置环优化。

1)      电流环优化

由于采用第三方的力矩电机，因此首先要优化电流环。借助西门子840Dsl数控系统自带的电流环测试功能，可以测试A轴力矩电机电流环的幅频特性和相频特性。

对于电流环幅频特性曲线，要求其幅值沿着0dB（不超过0dB）向右，越平直越好，下降的拐点越靠近1000Hz越好。通过更改电流环P增益Kpi(参数p1715)，可以使其沿着0dB线达到尽可能高的频率。

对于电流环相频特性曲线，要求其沿着0º线向右，至 1000Hz左右转向±180º。

下图为电流环优化完成后的幅频曲线和相频曲线。

图8 电流环幅频曲线和相频曲线

2)      速度环和位置环优化

当电流环优化完成后，借助西门子840Dsl数控系统自带的自动伺服优化(AST)功能可以自动完成对A轴力矩电机的速度环和位置环的测量和优化。

对于速度环幅频特性曲线，其幅值响应带宽（也就是幅频曲线上0dB区间）要足够宽，最好能达到100~200Hz，达不到要求的话，至少要保证100Hz的频率带宽,幅值允许少量超调，但要小于3dB。

图9 速度环幅频曲线和相频曲线

对于位置环幅频特性曲线，其幅值在整个频率范围内不超过0dB。

图10 位置环幅频曲线和相频曲线

六、    温度监控和编码器

在实际应用中，A轴中还安装有PTC和PT1000作为温度监控和检测，角度编码器作为速度和位置反馈，在这里就不做介绍了。

七、    结论

通过实践证明，采用一个伺服驱动器连接、驱动A轴的两个力矩电机的方法，在降低电气成本的同时，保障了A轴的同步性。在配置角度编码器后，完全满足高速、高精度定位要求的应用。