數控機床中直接驅動力矩電動機的電抗保護

于國豐 卞 莉

（德國伊爾梅瑙工業大學，德國伊爾梅瑙 98693）

1 直接驅動力矩電動機驅動波形畸變的原因

對直接驅動力矩電動機驅動波形發生畸變的原因分析，可以從電磁兼容，動力線寄生電抗等多角度進行研究。而區別于傳統驅動系統的核心原因則是由于直接驅動系統對數控系統輸出波形提出的更高要求。這主要體現在直接驅動系統要配合數控系統實現高動態特性，以及由于力矩電動機通常具有較高磁極對數，這就在機械系統低轉速輸出大扭矩的情況下要求數控驅動系統輸出高頻電信號來實現電動機氣隙電磁場的高轉速。同時，由于波形頻率的提高，高頻波形在數控驅動輸出端與電動機動力線之間以及電動機動力線與電動機線圈之間發生的高頻波反射也不能忽略。這種反射不斷在連接點之間重復，并直接在驅動電流波形上疊加高次諧波分量，造成波形的畸變。

1.1 數控驅動系統輸出PWM波形du/dt值遠遠超過電動機線圈設計制造標準

目前，驅動力矩電動機所采用的數控驅動系統多采用PWM脈寬調制輸出信號，如圖1。圖1a中du代表單位時間dt內的電壓變化量。圖1b為波形在電動機力線中發生畸變的示意圖。

為了降低數控驅動系統的無功電損耗，生產商在通常情況下都盡力降低dt，也就是說，代表單位時間內電壓變化量的du/dt將大大提高，甚至可以達到12 kV/!s。而按照目前德國制定的行業標準 VDE0530，電動機線圈絕緣等級是按照電動機線圈可承受du/dt值在500～1 000 V/!s范圍內進行設計和制造的。因此，從PWM波形電壓躍變速度看，當前與直接驅動力矩電動機配套的數控驅動系統所輸出波形的du/dt值已經遠遠超過行業標準中電動機線圈可承受的電壓變化速度。

1.2 電動機動力線寄生電抗造成的波形畸變

隨著電動機動力線的不斷加長，數控驅動系統輸出所驅動的負載中電感型阻抗不斷加大，造成波形持續惡化。如圖1b所示，電動機動力線越長，波形中的電壓尖峰也越高，甚至可以達到1 600 V或更高。按照目前德國制定的行業標準VDE0530，電動機線圈絕緣層應能承受小于1 000 V的尖峰電壓。

因此，在機床設計過程中應盡可能縮短電動機動力線長度。但在實際工程中，有些情況下很難縮短電控柜與直接驅動零部件的距離。在國產化的五軸葉片加工中心設計過程中，通過排布優化，左右兩個力矩電動機的動力線成功地控制在5.5 m和15 m以內。而龍門式加工中心雙擺銑頭中的力矩電動機動力線長度則很難控制。

通過圖2與圖3的對比，可以對電動機動力線長度對波形畸變的影響有一個更為直觀的了解。對比中，我們采用Siemens公司的SIMODRIVE611系統，其直流母線電壓為600 V，工作頻率選定8 kHz。力矩電動機采用德國IDAM公司的RM-3P-760系列電動機。

因此，從電動機動力線帶來的波形畸變來看，當電動機動力線過長時，波形中疊加尖峰電壓也越大。當電動機動力線超過20 m以后，尖峰電壓對于電動機絕緣性和壽命的影響就不容忽視。

1.3 電磁兼容對波形的影響

數控驅動系統輸出的驅動信號也會由于電磁兼容問題發生波形畸變。這些原因包括電網的穩定性、電動機動力線電纜以及傳感器信號線的電磁屏蔽性能等。通過采用合理的線纜排布和屏蔽處理可以降低電磁兼容問題帶來的影響。電磁兼容問題將成為今后機床系統提高精度等級和系統可靠性的關鍵因素之一。

2 波形畸變對電動機壽命以及對機床精度的影響

2.1 波形畸變對電動機壽命的影響

如1.1中所述，在數控驅動系統輸出高du/dt比值的PWM波形時，如果電動機動力線最長不超過20 m，動力線阻抗相對于電動機線圈阻抗可以忽略，驅動信號瞬時電壓變化量將直接作用于電動機線圈的絕緣層。由于電動機線圈中匝與匝之間的導線是相對平行排布的，線圈電容在電壓值持續躍變的驅動信號下不斷地重復充放電過程。最終，電動機線圈絕緣層將處于不斷重復的反向極化過程中。即使線圈絕緣層中存在很小的瑕疵，也將在持續不斷的反向極化過程中形成所謂的“熱點”，并最終形成電擊穿點。

隨著驅動信號du/dt值的不斷提高，直接驅動電動機線圈將不再像工作于50 Hz的傳統電動機中線圈那樣表現為電感型負載，而逐漸表現為電容性負載。與此同時，隨著電動機動力線的不斷加長，數控驅動系統輸出端所驅動的負載也不斷累加與電動機動力線長度成正比的電感型阻抗。雖然由于電動機動力線電抗分量不斷提高而使作用于電動機線圈絕緣層的反向極化影響逐漸降低，但在驅動電壓高速變化情況下，電動機動力線中不斷提高的電感型阻抗將在電壓上升沿和下降沿造成波形畸變。疊加的尖峰電壓將直接作用于電動機線圈的絕緣層上，并造成電動機渦流損耗增大，電動機工作溫度上升，加速電動機絕緣層的老化，降低電動機使用壽命，影響機床系統的技術可靠性。

由此可見，為了提高力矩電動機使用壽命，提高機床的技術可靠性，必須采用相應措施對電動機進行保護。

2.2 波形畸變對機床加工精度的影響

由于數控驅動系統輸出的PWM波形具有很高的du/dt值，同時力矩電動機動力線長度帶來的寄生電感，力矩電動機相驅動電流將發生畸變。如圖4所示。

驅動電流的畸變將導致驅動電流波形與電動機自身的電動機常數曲線吻合度下降，導致力矩電動機的輸出力矩發生周期性波動，直接影響系統的瞬時定位精度，增加電動機的渦流損耗以及運行噪聲，使電動機運行溫度升高，降低電動機工作效率并加速電動機老化。

在五軸葉片加工中心中，被加工葉片在工件旋轉軸上通過左右兩端力矩電動機驅動的臥式轉臺夾持，力矩電動機輸出的旋轉力矩在畸變的驅動波形驅動下將出現力矩波動，工件軸左右兩端不平衡的應力將作用在被加工葉片上，使葉片處于微觀抖動狀態，工件軸自身兩電動機的同步性以及工件軸同加工軸的同步性也將發生微量偏差。在這樣的情況下，葉片的表面加工精度等級很難提高，加工好的葉片還必須經過精磨才能投入使用，以降低汽輪機在使用過程中的噪聲、振動和葉片損耗。對于驅動波形中畸變分量對力矩電動機輸出力矩造成的波動，可以參考相關資料。

由上可見，即使不考慮電動機絕緣層老化速度和電動機實際使用壽命，從降低力矩電動機力矩輸出波動，進而提高定位精度和工件加工精度等級的角度看，也應該采用相應措施對驅動電流進行濾波整形。

2.3 電動機的電抗保護

在電動機動力線較長的情況下，如果在數控驅動輸出端和力矩電動機之間加裝電抗器，實現對驅動波形的整形，可以有效消除驅動波形的畸變分量，消除驅動波形中的高次諧波分量，有效對電動機線圈進行保護，從而提高電動機使用壽命和機床加工精度。電抗器安裝和功能示意圖如圖5所示。

目前，在市場上有不同種類的電抗器，主要為du/dt型電抗器和Sin型電抗器。他們的主要區別為：du/dt型電抗器為L型電抗器，通過在電動機動力線中串聯電感型電抗器對高次諧波分量進行抑制。而Sin型電抗器則為LC型電抗器，他具有更好的波形整形作用，但是因為時間常數過大而對驅動系統的動態特性有所影響。因此，具體采用何種類型和型號的電抗器，應該結合實際應用情況進行選用。

雖然加裝電抗器會增加機床制造廠商的生產成本，增加零部件和制造工序并帶來空間排布等問題，但這將提高設備技術可靠性和產品加工精度，并且可以通過對電動機的保護有效延長電動機使用壽命，為最終用戶降低維修成本，避免由于意外停機而造成的附加損失。

［1］Schaffner Holding，EMC and Power Quality-Solutions for Industrial Power Systems，Luterbach in Switzerland，2009.

［2］Melly，Stefan，Neues Ausgangsfilterkonzept fuer die Antriebstechnik，Luterbach in Switzerland，2002（8）.

［3］Unger，Hans-Georg，Elektromagnetische Wellen auf Leitungen，Heidelberg：Hüthig，1996.

［4］REO Elektronik AG，Sinusfilter-Ausgangsfilter fuer Gleichtakt-Hochfrequenz-Stoerungen，Sollingen in Germany，2007（12）.