数控机床中直接驱动力矩电动机的电抗保护

于国丰 卞 莉

（德国伊尔梅瑙工业大学，德国伊尔梅瑙 98693）

1 直接驱动力矩电动机驱动波形畸变的原因

对直接驱动力矩电动机驱动波形发生畸变的原因分析，可以从电磁兼容，动力线寄生电抗等多角度进行研究。而区别于传统驱动系统的核心原因则是由于直接驱动系统对数控系统输出波形提出的更高要求。这主要体现在直接驱动系统要配合数控系统实现高动态特性，以及由于力矩电动机通常具有较高磁极对数，这就在机械系统低转速输出大扭矩的情况下要求数控驱动系统输出高频电信号来实现电动机气隙电磁场的高转速。同时，由于波形频率的提高，高频波形在数控驱动输出端与电动机动力线之间以及电动机动力线与电动机线圈之间发生的高频波反射也不能忽略。这种反射不断在连接点之间重复，并直接在驱动电流波形上叠加高次谐波分量，造成波形的畸变。

1.1 数控驱动系统输出PWM波形du/dt值远远超过电动机线圈设计制造标准

目前，驱动力矩电动机所采用的数控驱动系统多采用PWM脉宽调制输出信号，如图1。图1a中du代表单位时间dt内的电压变化量。图1b为波形在电动机力线中发生畸变的示意图。

为了降低数控驱动系统的无功电损耗，生产商在通常情况下都尽力降低dt，也就是说，代表单位时间内电压变化量的du/dt将大大提高，甚至可以达到12 kV/!s。而按照目前德国制定的行业标准 VDE0530，电动机线圈绝缘等级是按照电动机线圈可承受du/dt值在500～1 000 V/!s范围内进行设计和制造的。因此，从PWM波形电压跃变速度看，当前与直接驱动力矩电动机配套的数控驱动系统所输出波形的du/dt值已经远远超过行业标准中电动机线圈可承受的电压变化速度。

1.2 电动机动力线寄生电抗造成的波形畸变

随着电动机动力线的不断加长，数控驱动系统输出所驱动的负载中电感型阻抗不断加大，造成波形持续恶化。如图1b所示，电动机动力线越长，波形中的电压尖峰也越高，甚至可以达到1 600 V或更高。按照目前德国制定的行业标准VDE0530，电动机线圈绝缘层应能承受小于1 000 V的尖峰电压。

因此，在机床设计过程中应尽可能缩短电动机动力线长度。但在实际工程中，有些情况下很难缩短电控柜与直接驱动零部件的距离。在国产化的五轴叶片加工中心设计过程中，通过排布优化，左右两个力矩电动机的动力线成功地控制在5.5 m和15 m以内。而龙门式加工中心双摆铣头中的力矩电动机动力线长度则很难控制。

通过图2与图3的对比，可以对电动机动力线长度对波形畸变的影响有一个更为直观的了解。对比中，我们采用Siemens公司的SIMODRIVE611系统，其直流母线电压为600 V，工作频率选定8 kHz。力矩电动机采用德国IDAM公司的RM-3P-760系列电动机。

因此，从电动机动力线带来的波形畸变来看，当电动机动力线过长时，波形中叠加尖峰电压也越大。当电动机动力线超过20 m以后，尖峰电压对于电动机绝缘性和寿命的影响就不容忽视。

1.3 电磁兼容对波形的影响

数控驱动系统输出的驱动信号也会由于电磁兼容问题发生波形畸变。这些原因包括电网的稳定性、电动机动力线电缆以及传感器信号线的电磁屏蔽性能等。通过采用合理的线缆排布和屏蔽处理可以降低电磁兼容问题带来的影响。电磁兼容问题将成为今后机床系统提高精度等级和系统可靠性的关键因素之一。

2 波形畸变对电动机寿命以及对机床精度的影响

2.1 波形畸变对电动机寿命的影响

如1.1中所述，在数控驱动系统输出高du/dt比值的PWM波形时，如果电动机动力线最长不超过20 m，动力线阻抗相对于电动机线圈阻抗可以忽略，驱动信号瞬时电压变化量将直接作用于电动机线圈的绝缘层。由于电动机线圈中匝与匝之间的导线是相对平行排布的，线圈电容在电压值持续跃变的驱动信号下不断地重复充放电过程。最终，电动机线圈绝缘层将处于不断重复的反向极化过程中。即使线圈绝缘层中存在很小的瑕疵，也将在持续不断的反向极化过程中形成所谓的“热点”，并最终形成电击穿点。

随着驱动信号du/dt值的不断提高，直接驱动电动机线圈将不再像工作于50 Hz的传统电动机中线圈那样表现为电感型负载，而逐渐表现为电容性负载。与此同时，随着电动机动力线的不断加长，数控驱动系统输出端所驱动的负载也不断累加与电动机动力线长度成正比的电感型阻抗。虽然由于电动机动力线电抗分量不断提高而使作用于电动机线圈绝缘层的反向极化影响逐渐降低，但在驱动电压高速变化情况下，电动机动力线中不断提高的电感型阻抗将在电压上升沿和下降沿造成波形畸变。叠加的尖峰电压将直接作用于电动机线圈的绝缘层上，并造成电动机涡流损耗增大，电动机工作温度上升，加速电动机绝缘层的老化，降低电动机使用寿命，影响机床系统的技术可靠性。

由此可见，为了提高力矩电动机使用寿命，提高机床的技术可靠性，必须采用相应措施对电动机进行保护。

2.2 波形畸变对机床加工精度的影响

由于数控驱动系统输出的PWM波形具有很高的du/dt值，同时力矩电动机动力线长度带来的寄生电感，力矩电动机相驱动电流将发生畸变。如图4所示。

驱动电流的畸变将导致驱动电流波形与电动机自身的电动机常数曲线吻合度下降，导致力矩电动机的输出力矩发生周期性波动，直接影响系统的瞬时定位精度，增加电动机的涡流损耗以及运行噪声，使电动机运行温度升高，降低电动机工作效率并加速电动机老化。

在五轴叶片加工中心中，被加工叶片在工件旋转轴上通过左右两端力矩电动机驱动的卧式转台夹持，力矩电动机输出的旋转力矩在畸变的驱动波形驱动下将出现力矩波动，工件轴左右两端不平衡的应力将作用在被加工叶片上，使叶片处于微观抖动状态，工件轴自身两电动机的同步性以及工件轴同加工轴的同步性也将发生微量偏差。在这样的情况下，叶片的表面加工精度等级很难提高，加工好的叶片还必须经过精磨才能投入使用，以降低汽轮机在使用过程中的噪声、振动和叶片损耗。对于驱动波形中畸变分量对力矩电动机输出力矩造成的波动，可以参考相关资料。

由上可见，即使不考虑电动机绝缘层老化速度和电动机实际使用寿命，从降低力矩电动机力矩输出波动，进而提高定位精度和工件加工精度等级的角度看，也应该采用相应措施对驱动电流进行滤波整形。

2.3 电动机的电抗保护

在电动机动力线较长的情况下，如果在数控驱动输出端和力矩电动机之间加装电抗器，实现对驱动波形的整形，可以有效消除驱动波形的畸变分量，消除驱动波形中的高次谐波分量，有效对电动机线圈进行保护，从而提高电动机使用寿命和机床加工精度。电抗器安装和功能示意图如图5所示。

目前，在市场上有不同种类的电抗器，主要为du/dt型电抗器和Sin型电抗器。他们的主要区别为：du/dt型电抗器为L型电抗器，通过在电动机动力线中串联电感型电抗器对高次谐波分量进行抑制。而Sin型电抗器则为LC型电抗器，他具有更好的波形整形作用，但是因为时间常数过大而对驱动系统的动态特性有所影响。因此，具体采用何种类型和型号的电抗器，应该结合实际应用情况进行选用。

虽然加装电抗器会增加机床制造厂商的生产成本，增加零部件和制造工序并带来空间排布等问题，但这将提高设备技术可靠性和产品加工精度，并且可以通过对电动机的保护有效延长电动机使用寿命，为最终用户降低维修成本，避免由于意外停机而造成的附加损失。

［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）.