交流异步电动机的伺服运行

交流异步电动机以其稳定可靠的运行性能，十分理想的运行经济性能，以及极其有限的运行维护要求获得了绝对广泛的应用，几乎所有通用机械的源动力均来源于交流异步电动机，且其机械源动力的主导地位经久不衰。这是众所周知的事情。然而，交流异步电动机的运行原理使其调速方式完全不同于直流电动机。自从异步电动机诞生以来，其调速运行的特殊要求始终困扰着人们。人们钟情于异步电动机可靠的机电特性，也无奈于异步电动机的调速难度。为了使异步电动机适用于各种调速场合，人们采取过多种诸如转子串电阻调速，调压调速等低效高耗的调速方式。现代变频调速器的出现终于使人们在异步电动机的应用上有了高效灵活的调速手段。然而，随着应用领域的不断扩展，应用要求的不断提高，简单的调速性能已不能满足全部应用需求。在很多领域，人们需要多轴的高精度同步运行，单轴或者多轴的高精度定位控制，即机械系统的伺服运行。由于经典伺服系统的复杂性和昂贵的投入，使人们再次将目光集中到异步电动机上。但是，即使象现代变频调速器这样精密灵活的调速设备，也很难用简单的方法来驾驭建立在滑差运行原理上的交流异步电动机，使其担任伺服运行任务。为了利用变频调速器的灵活性来完成伺服任务，人们尝试过许多努力。典型的方案有“AC电机 – 变频器 – PLC – 光电编码器+ 机械锁定机构”或者“AC电机 – 变频器 – 单片机 – 光电编码器+机械锁定机构”等等。这些方案虽然在逻辑上采取了类似伺服系统的电机轴速和轴位置的检测作为反馈信号以期获得速度或轴位置的精确调整。但是，由于上述各方案的组成部件之间并非有机的结合，系统存在计算速度，运行精度均显粗糙的问题，只能在稳态运行时满足较低的技术要求，动态过程几乎无法确定，完全不能与典型的伺服系统相比拟。

　　丹麦丹佛斯有限公司推出的VLT5000系列变频调速器专用的同步及定位控制卡 (SyncPos)完全实现了异步电动机的伺服运行功能，并在电机容量上弥补了伺服系统大容量的空缺（0.55kW – 90kW），为人们提供了一种性价比极高的动力设备。本文将讨论SyncPos 的系统组成，运用条件及主要技术指标。

　　1. 经典伺服系统回顾

　　人们对经典伺服系统已经很熟悉。在经典的伺服系统中，伺服电机，伺服驱动器，控制器件（PLC，PC等）是必须的组成部分。位置或速度的检测则视需要而定。由于伺服运行的特殊要求，如高速，高动态特性等，伺服系统的电机通常使用专用的伺服电机。电机可以是交流电机，也可以是直流电机。不同厂家的伺服电机通常需要特定的驱动器，产品互换性能较差。因此，传统伺服系统的成本一直居高不下，往往是用户选择动力方案时的重点考虑因素之一。

　　伺服系统的经典应用场合是，单轴定位控制；多轴位置同步或速度同步运行。在多轴同步运行时，视应用场合的技术要求，系统可以采用主从方式（或称随动方式）；也可以采用所谓虚拟主轴方式（高精度同步方式）。

　　2. VLT5000系列变频调速器的专用伺服控制卡SyncPos

　　VLT5000系列变频调速器是丹麦丹佛斯公司生产的通用系列产品。该系列产品具有强硬的电机动静态性能和卓越的低频性能，以及优良的自稳定性，是十分理想的动力传递设备。VLT5000系列的伺服控制卡SyncPos是丹佛斯公司专门为其VLT5000在同步与定位控制方面应用而设计的专用控制部件。该部件集控制逻辑和运行调节于一身，具有完全的伺服控制功能，而系统成本则大大低于经典伺服系统。SyncPos灵活的编程能力和调试环境使其能够适应各种控制要求。WINDOWS平台上的编程环境使编程工作异常方便。此外，专用的PID优化程序以图表方式给出PID参数的现状并指出PID的调整方向，使受控轴在额定负荷以内的任何负载状态下都能够得到最佳的动态性能。

　　2.1 由SyncPos 组成的伺服系统的结构

　　SyncPos 卡是安装在VLT5000内部的一块高度集成的PCB板. 装有SyncPos 的VLT5000变频器便构成了一台可编程序伺服控制器。该控制器以普通交流异步电动机为控制对象，光电编码器为预定控制点的速度或位置反馈信号。控制器装备有16个开关量输入端子；3个转换精度为10位的模拟量输入端子；10个开关量输出端子；2路与开关量共用端子号的8位模拟量输出端子以及2路继电器输出端子。上述端子的映射内容均可由程序确定，以完成工程所需的I/O任务。此外，还有1个主轴编码器信号输入端子和1个从动轴编码器输入端子。用该伺服控制器可以分别构成单轴的定位控制运行，单轴随动（主轴）运行，或者多轴虚拟主轴运行（高精度同步运行）等。

另有专门的参数设置。程序语言向用户提供了所有与伺服运行相关的运行功能。如机械限位运行，机械复位运行等。此外，SyncPos还向用户提供了通用PLC的绝大多数控制功能，如事件中断运行等。在运行精度方面，如果用户选择了增量型光电编码器，SyncPos将按光电编码器的四分相脉冲（也称细分脉冲）计数。例如，用户选择了1000脉冲/每转的光电编码器，则SyncPos的实际计数精度为4000脉冲/每转。

　　SyncPos 向用户提供程序的语法检查，单步运行等通用PLC或单片机的程序调试手段。

　　2.3 SyncPos的PID参数整定

　　SyncPos 向用户提供了PID参数整定的专用调试程序Testrun 。使用Testrun 用户可以十分方便地将受控轴的动态性能调整到最佳状态。只要系统的动态负荷不超过电机的最大允许过载倍数，机械系统的预定动态过程将与负荷无关。

　　整定PID参数时，首先打开Testrun，在Testrun的参数设置窗口中设置相应的运行数据。主要有系统的最高运行速度，最大加速度，指定运行步长，及采样速率等。然后逐项设置调整前馈速度，前馈加速度和PID相关的参数。在参数设置的基础上，执行测试运行Testrun。每次测试运行后，系统将给出测试图表，分别以曲线（测试曲线与给定曲线的比较）和测试数据给出结论，并指出调整方向。 

　　2.4.1 SyncPos 应用领域

　　SyncPos的应用领域涉及所有中低速伺服系统，特别适合于经典伺服系统无法涉及的大功率应用项目。如大型机床的精密定位加工；大型安装设备的精密定位控制；大跨度行车的两端同步控制；以及造纸，纺织，印染，印刷行业的多轴同步控制等。此外，在化工领域的动态液体配比计量（计量泵的控制）中也是理想的选择方案。SyncPos的应用涉猎范围十分广泛，在此不逐一赘述。

　　2.4.2 SyncPos在定长切割设备上的应用

　　某定长切割设备用于将1500毫米长，直径不等的卷料切割成预定宽度的成品。待切割物料被固定在旋架上以固定的速度旋转，另有可移动刀头置于物料外表面，并可沿物料轴心方向平行移动。切割物料的宽度是由刀架的移动距离决定的。如，欲切割100毫米宽的产品，则使刀架移动100毫米即可。刀架的推动系统是由丝杠，减速机，异步电机组成的。由于物料的切割宽度，即刀架的移动距离是本系统的关键受控点，因此，设计者将内置有SyncPos的VLT5000用于刀架的源动力，并将检测刀架移动距离的光电编码器置于推进丝杠的一端，作为刀架的移动位置反馈。该系统的主要I/O信号如图6所示。

系统的主要技术数据如下：
*设置切割宽度：2—1510mm ，设置精度0.005%
*设置切割数量: 500件
*运行切割精度的绝对误差: ≤ 0.005mm

该系统的实际切割精度取决于推进丝杠的精确度（本系统为普通梯型丝杠），光电编码器的分辨率和PID参数的整定精度。如果用户希望进一步提高切割精度，可选则更加精密的滚珠丝杠，分辨率更高的光电编码器。

　　2.4.3 SyncPos在双轴同步系统的应用

　　某厂生产钢丝加捻设备，将多股钢丝加捻用于汽车真空胎的生产。设备采用主从随动方式。由SyncPos控制加捻头电机，使加捻头电机的运行速度随放线轴电机的放线速度的波动而波动，从而使钢丝加捻的质量得到了质的提高。

　　3. 结束语

　　本文介绍了VLT5000系列变频调速器的伺服控制卡SyncPos的主要内容。由于VLT5000及其伺服控制卡SyncPos以普通交流异步电动机为控制对象，使得系统成本远低于经典伺服系统，其容量规格也大幅度超越了经典伺服系统，为用户在大容量伺服运行工程中提供了一种理想的选择方案。但是，值得指出的是，由于普通交流异步电动机自身的电磁惯量和机械惯量均大于伺服电机，因此，在同容量同负载条件下，使用VLT5000及其伺服控制卡SyncPos构成的伺服系统替代经典伺服系统时，需重点计算其加速度扭矩的需求。