交流異步電動(dòng)機(jī)以其穩(wěn)定可靠的運(yùn)行性能，十分理想的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性能，以及極其有限的運(yùn)行維護(hù)要求獲得了絕對(duì)廣泛的應(yīng)用，幾乎所有通用機(jī)械的源動(dòng)力均來源于交流異步電動(dòng)機(jī)，且其機(jī)械源動(dòng)力的主導(dǎo)地位經(jīng)久不衰。這是眾所周知的事情。然而，交流異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理使其調(diào)速方式完全不同于直流電動(dòng)機(jī)。自從異步電動(dòng)機(jī)誕生以來，其調(diào)速運(yùn)行的特殊要求始終困擾著人們。人們鐘情于異步電動(dòng)機(jī)可靠的機(jī)電特性，也無奈于異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速難度。為了使異步電動(dòng)機(jī)適用于各種調(diào)速場合，人們采取過多種諸如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，調(diào)壓調(diào)速等低效高耗的調(diào)速方式�，F(xiàn)代變頻調(diào)速器的出現(xiàn)終于使人們?cè)诋惒诫妱?dòng)機(jī)的應(yīng)用上有了高效靈活的調(diào)速手段。然而，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，應(yīng)用要求的不斷提高，簡單的調(diào)速性能已不能滿足全部應(yīng)用需求。在很多領(lǐng)域，人們需要多軸的高精度同步運(yùn)行，單軸或者多軸的高精度定位控制，即機(jī)械系統(tǒng)的伺服運(yùn)行。由于經(jīng)典伺服系統(tǒng)的復(fù)雜性和昂貴的投入，使人們?cè)俅螌⒛抗饧械疆惒诫妱?dòng)機(jī)上。但是，即使象現(xiàn)代變頻調(diào)速器這樣精密靈活的調(diào)速設(shè)備，也很難用簡單的方法來駕馭建立在滑差運(yùn)行原理上的交流異步電動(dòng)機(jī)，使其擔(dān)任伺服運(yùn)行任務(wù)。為了利用變頻調(diào)速器的靈活性來完成伺服任務(wù)，人們嘗試過許多努力。典型的方案有“AC電機(jī) – 變頻器 – PLC – 光電編碼器+ 機(jī)械鎖定機(jī)構(gòu)”或者“AC電機(jī) – 變頻器 – 單片機(jī) – 光電編碼器+機(jī)械鎖定機(jī)構(gòu)”等等。這些方案雖然在邏輯上采取了類似伺服系統(tǒng)的電機(jī)軸速和軸位置的檢測作為反饋信號(hào)以期獲得速度或軸位置的精確調(diào)整。但是，由于上述各方案的組成部件之間并非有機(jī)的結(jié)合，系統(tǒng)存在計(jì)算速度，運(yùn)行精度均顯粗糙的問題，只能在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)滿足較低的技術(shù)要求，動(dòng)態(tài)過程幾乎無法確定，完全不能與典型的伺服系統(tǒng)相比擬。
丹麥丹佛斯有限公司推出的VLT5000系列變頻調(diào)速器專用的同步及定位控制卡 (SyncPos)完全實(shí)現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)的伺服運(yùn)行功能，并在電機(jī)容量上彌補(bǔ)了伺服系統(tǒng)大容量的空缺（0.55kW – 90kW），為人們提供了一種性價(jià)比極高的動(dòng)力設(shè)備。本文將討論SyncPos 的系統(tǒng)組成，運(yùn)用條件及主要技術(shù)指標(biāo)。
1. 經(jīng)典伺服系統(tǒng)回顧
人們對(duì)經(jīng)典伺服系統(tǒng)已經(jīng)很熟悉。在經(jīng)典的伺服系統(tǒng)中，伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器，控制器件（PLC，PC等）是必須的組成部分。位置或速度的檢測則視需要而定。由于伺服運(yùn)行的特殊要求，如高速，高動(dòng)態(tài)特性等，伺服系統(tǒng)的電機(jī)通常使用專用的伺服電機(jī)。電機(jī)可以是交流電機(jī)，也可以是直流電機(jī)。不同廠家的伺服電機(jī)通常需要特定的驅(qū)動(dòng)器，產(chǎn)品互換性能較差。因此，傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)的成本一直居高不下，往往是用戶選擇動(dòng)力方案時(shí)的重點(diǎn)考慮因素之一。
伺服系統(tǒng)的經(jīng)典應(yīng)用場合是，單軸定位控制；多軸位置同步或速度同步運(yùn)行。在多軸同步運(yùn)行時(shí)，視應(yīng)用場合的技術(shù)要求，系統(tǒng)可以采用主從方式（或稱隨動(dòng)方式）；也可以采用所謂虛擬主軸方式（高精度同步方式）。
2. VLT5000系列變頻調(diào)速器的專用伺服控制卡SyncPos
VLT5000系列變頻調(diào)速器是丹麥丹佛斯公司生產(chǎn)的通用系列產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品具有強(qiáng)硬的電機(jī)動(dòng)靜態(tài)性能和卓越的低頻性能，以及優(yōu)良的自穩(wěn)定性，是十分理想的動(dòng)力傳遞設(shè)備。VLT5000系列的伺服控制卡SyncPos是丹佛斯公司專門為其VLT5000在同步與定位控制方面應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用控制部件。該部件集控制邏輯和運(yùn)行調(diào)節(jié)于一身，具有完全的伺服控制功能，而系統(tǒng)成本則大大低于經(jīng)典伺服系統(tǒng)。SyncPos靈活的編程能力和調(diào)試環(huán)境使其能夠適應(yīng)各種控制要求。WINDOWS平臺(tái)上的編程環(huán)境使編程工作異常方便。此外，專用的PID優(yōu)化程序以圖表方式給出PID參數(shù)的現(xiàn)狀并指出PID的調(diào)整方向，使受控軸在額定負(fù)荷以內(nèi)的任何負(fù)載狀態(tài)下都能夠得到最佳的動(dòng)態(tài)性能。
2.1 由SyncPos 組成的伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
SyncPos 卡是安裝在VLT5000內(nèi)部的一塊高度集成的PCB板. 裝有SyncPos 的VLT5000變頻器便構(gòu)成了一臺(tái)可編程序伺服控制器。該控制器以普通交流異步電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，光電編碼器為預(yù)定控制點(diǎn)的速度或位置反饋信號(hào)�？刂破餮b備有16個(gè)開關(guān)量輸入端子；3個(gè)轉(zhuǎn)換精度為10位的模擬量輸入端子；10個(gè)開關(guān)量輸出端子；2路與開關(guān)量共用端子號(hào)的8位模擬量輸出端子以及2路繼電器輸出端子。上述端子的映射內(nèi)容均可由程序確定，以完成工程所需的I/O任務(wù)。此外，還有1個(gè)主軸編碼器信號(hào)輸入端子和1個(gè)從動(dòng)軸編碼器輸入端子。用該伺服控制器可以分別構(gòu)成單軸的定位控制運(yùn)行，單軸隨動(dòng)（主軸）運(yùn)行，或者多軸虛擬主軸運(yùn)行（高精度同步運(yùn)行）等。
另有專門的參數(shù)設(shè)置。程序語言向用戶提供了所有與伺服運(yùn)行相關(guān)的運(yùn)行功能。如機(jī)械限位運(yùn)行，機(jī)械復(fù)位運(yùn)行等。此外，SyncPos還向用戶提供了通用PLC的絕大多數(shù)控制功能，如事件中斷運(yùn)行等。在運(yùn)行精度方面，如果用戶選擇了增量型光電編碼器，SyncPos將按光電編碼器的四分相脈沖（也稱細(xì)分脈沖）計(jì)數(shù)。例如，用戶選擇了1000脈沖/每轉(zhuǎn)的光電編碼器，則SyncPos的實(shí)際計(jì)數(shù)精度為4000脈沖/每轉(zhuǎn)。
SyncPos 向用戶提供程序的語法檢查，單步運(yùn)行等通用PLC或單片機(jī)的程序調(diào)試手段。
2.3 SyncPos的PID參數(shù)整定
SyncPos 向用戶提供了PID參數(shù)整定的專用調(diào)試程序Testrun 。使用Testrun 用戶可以十分方便地將受控軸的動(dòng)態(tài)性能調(diào)整到最佳狀態(tài)。只要系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷不超過電機(jī)的最大允許過載倍數(shù)，機(jī)械系統(tǒng)的預(yù)定動(dòng)態(tài)過程將與負(fù)荷無關(guān)。
整定PID參數(shù)時(shí)，首先打開Testrun，在Testrun的參數(shù)設(shè)置窗口中設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。主要有系統(tǒng)的最高運(yùn)行速度，最大加速度，指定運(yùn)行步長，及采樣速率等。然后逐項(xiàng)設(shè)置調(diào)整前饋速度，前饋加速度和PID相關(guān)的參數(shù)。在參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，執(zhí)行測試運(yùn)行Testrun。每次測試運(yùn)行后，系統(tǒng)將給出測試圖表，分別以曲線（測試曲線與給定曲線的比較）和測試數(shù)據(jù)給出結(jié)論，并指出調(diào)整方向。
2.4.1 SyncPos 應(yīng)用領(lǐng)域
SyncPos的應(yīng)用領(lǐng)域涉及所有中低速伺服系統(tǒng)，特別適合于經(jīng)典伺服系統(tǒng)無法涉及的大功率應(yīng)用項(xiàng)目。如大型機(jī)床的精密定位加工；大型安裝設(shè)備的精密定位控制；大跨度行車的兩端同步控制；以及造紙，紡織，印染，印刷行業(yè)的多軸同步控制等。此外，在化工領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)液體配比計(jì)量（計(jì)量泵的控制）中也是理想的選擇方案。SyncPos的應(yīng)用涉獵范圍十分廣泛，在此不逐一贅述。
2.4.2 SyncPos在定長切割設(shè)備上的應(yīng)用
某定長切割設(shè)備用于將1500毫米長，直徑不等的卷料切割成預(yù)定寬度的成品。待切割物料被固定在旋架上以固定的速度旋轉(zhuǎn)，另有可移動(dòng)刀頭置于物料外表面，并可沿物料軸心方向平行移動(dòng)。切割物料的寬度是由刀架的移動(dòng)距離決定的。如，欲切割100毫米寬的產(chǎn)品，則使刀架移動(dòng)100毫米即可。刀架的推動(dòng)系統(tǒng)是由絲杠，減速機(jī)，異步電機(jī)組成的。由于物料的切割寬度，即刀架的移動(dòng)距離是本系統(tǒng)的關(guān)鍵受控點(diǎn)，因此，設(shè)計(jì)者將內(nèi)置有SyncPos的VLT5000用于刀架的源動(dòng)力，并將檢測刀架移動(dòng)距離的光電編碼器置于推進(jìn)絲杠的一端，作為刀架的移動(dòng)位置反饋。該系統(tǒng)的主要I/O信號(hào)如圖6所示。
系統(tǒng)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下：
*設(shè)置切割寬度：2—1510mm ，設(shè)置精度0.005%
*設(shè)置切割數(shù)量: 500件
*運(yùn)行切割精度的絕對(duì)誤差: ≤ 0.005mm
該系統(tǒng)的實(shí)際切割精度取決于推進(jìn)絲杠的精確度（本系統(tǒng)為普通梯型絲杠），光電編碼器的分辨率和PID參數(shù)的整定精度。如果用戶希望進(jìn)一步提高切割精度，可選則更加精密的滾珠絲杠，分辨率更高的光電編碼器。
2.4.3 SyncPos在雙軸同步系統(tǒng)的應(yīng)用
某廠生產(chǎn)鋼絲加捻設(shè)備，將多股鋼絲加捻用于汽車真空胎的生產(chǎn)。設(shè)備采用主從隨動(dòng)方式。由SyncPos控制加捻頭電機(jī)，使加捻頭電機(jī)的運(yùn)行速度隨放線軸電機(jī)的放線速度的波動(dòng)而波動(dòng)，從而使鋼絲加捻的質(zhì)量得到了質(zhì)的提高。
3. 結(jié)束語
本文介紹了VLT5000系列變頻調(diào)速器的伺服控制卡SyncPos的主要內(nèi)容。由于VLT5000及其伺服控制卡SyncPos以普通交流異步電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，使得系統(tǒng)成本遠(yuǎn)低于經(jīng)典伺服系統(tǒng)，其容量規(guī)格也大幅度超越了經(jīng)典伺服系統(tǒng)，為用戶在大容量伺服運(yùn)行工程中提供了一種理想的選擇方案。但是，值得指出的是，由于普通交流異步電動(dòng)機(jī)自身的電磁慣量和機(jī)械慣量均大于伺服電機(jī)，因此，在同容量同負(fù)載條件下，使用VLT5000及其伺服控制卡SyncPos構(gòu)成的伺服系統(tǒng)替代經(jīng)典伺服系統(tǒng)時(shí)，需重點(diǎn)計(jì)算其加速度扭矩的需求。
