SINAMICS V90 指导手册 第1章 概论

1.1交流伺服系统

1.1.1概念

在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机（PMSM）和感应异步交流伺服电机（IM），其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。

1.1.2分类

交流伺服电动机可依据电动机运行原理的不同，分为永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机、感应(或称异步)电动机和磁阻同步电动机。这些电动机具有相同的三相绕组的定子结构。

感应式交流伺服电动机，其转子电流由滑差电势产生，并与磁场相互作用产生转矩，其主要优点是无刷，结构坚固，造价低，免维护，对环境要求低，其主磁通用激磁电流产生，很容易实现弱磁控制，高转速可以达到4～5倍的额定转速；缺点是需要激磁电流，内功率因数低，效率较低，转子散热困难，要求较大的伺服驱动器容量，电动机的电磁关系复杂，要实现电动机的磁通与转矩的控制比较困难，电动机非线性参数的变化影响控制精度，必须进行参数在线辨识才能达到较好的控制效果。

永磁同步交流伺服电动机，气隙磁场由稀土永磁体产生，转矩控制由调节电枢的电流实现，转矩的控制较感应电动机简单，并且能达到较高的控制精度；转子无铜、铁损耗，效率高，内功率因数高，也具有无刷免维护的特点，体积和惯量小，快速性好；在控制上需要轴位置传感器，以便识别气隙磁场的位置；价格较感应电动机贵。

无刷直流伺服电动机，其结构与永磁同步伺服电动机相同，借助较简单的位置传感器(如霍耳磁敏开关)的信号，控制电枢绕组的换向，控制最为简单；由于每个绕组的换向都需要一套功率开关电路，电枢绕组的数目通常只采用三相，相当于只有三个换向片的直流电动机，因此运行时电动机的脉动转矩大，造成速度的脉动，需要采用速度闭环才能运行于较低转速，该电动机的气隙磁通为方波分布，可降低电动机制造成本。有时，将无刷直流伺服系统与同步交流伺服混为一谈，外表上很难区分，实际上两者的控制性能是有较大差别的。

磁阻同步电动机，使用较少，略

1.1.3性能指标

交流伺服系统的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。低档的伺服系统调速范围在1:1000以上，一般的在1:5000～1:10000，高性能的可以达到1:100000以上；定位精度一般都要达到±1个脉冲，稳速精度，尤其是低速下的稳速精度比如给定1rpm时，一般的在±0.1rpm以内，高性能的可以达到±0.01rpm以内；动态响应方面，通常衡量的指标是系统最高响应频率，即给定最高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90°或者幅值不小于50%。进口三菱伺服电机MR－J3系列的响应频率高达900Hz，而国内主流产品的频率在200～500Hz。运行稳定性方面，主要是指系统在电压波动、负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰、以及其他特殊运行条件下，维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力。这方面国产产品、包括部分台湾产品和世界先进水平相比差距较大。

1.1.4控制方法

1.1.5发展现状

贝加莱（BR）工业自动化公司推出的AcoposMulti驱动系统采用模块化的可扩展结构，每个轴模块可以提供1到2个伺服轴控制，并集成了一个24VDC的辅助电源模块，为驱动器、控制器和外围设备提供了一个到直流总线的链接，来获得开路、短路和过载保护。其他特性包括通过空气，油或水进行冷却的模块化设计，通过一个能量再生系统确保环境的安全性。在国内，我们还没有看到有厂商进行类似的模块式设计，并在产品中融入机器安全概念。

艾默生控制技术（EmersonControlTechniques）公司展出了Unidrive及其他交、直流驱动器产品。Unidrive驱动器覆盖功率范围从0.55～675kW，变换不同的控制软件可以驱动异步电机、永磁同步伺服电机和无刷直流电机。额定输出功率为0.25～11kW的Varmeca型集成可变速度电机与可变速度驱动器（VSD），具有闭环矢量与分布式(Proxdrive）两个版本。值得注意的是适合在潜在爆燃性气体中工作的VSD系统(ATEX）。而额定输出功率为0.55～400kW的FLSD驱动器，则据称能在ⅡB类或ⅡC区1类2分类气体中工作。相对应的，国内伺服驱动器厂商的产品功率范围多在10KW以下，而且没有特殊防护等级的商品化产品面世，这方面国内外的差距很大，也是未来国内伺服厂商差异化竞争的方向。

RockwellAutomation公司展出了PowerFlex驱动技术。PowerFlex的发展路线图显示，将于2006～07年出现的“公共工业协议（CIP）运动应用协议”，有望无缝同步在同一系统中运行的多轴伺服与变频驱动器中。在适合运动控制的工业协议方面，我们还看到Beckhoff的EtherCAT，BR的PowerLink,Danaher下面的MEI开发的SynqNet，Siemens的ProfiNet，还有久负盛名的Sercos已经发展到SercosⅢ。这些通讯协议都为多轴实时同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驱动器集成进去。在国内，甚至CAN这样的中低端总线也没有变成伺服驱动器的标准配置，采用高性能实时现场总线的商品化驱动器还没有出现。这一方面是因为我们的伺服基本性能还没有达到相应的水准，另一方面也是因为市场还没有发育到这个程度。可喜的是，我们已经看到一些单位进行了有益的研发实践，一方面消化国外的先进技术，一方面尝试推出自己的总线标准。和利时电机预计在自己的下一代伺服产品中集成多种可选的通讯模块，其中包括CAN、USB、Fireware和Sercos，还有和利时电机和北航联合开发的CANsmc（用于多轴同步运动控制的总线），基于蓝牙无线通讯的模块也在研发中。中科院沈阳高档数控研发中心等个别单位也研发了自己的运动控制总线协议。

安川电机欧洲公司（YaskawaElectricEurope，YEE）展出了其广受欢迎的通用SigmaⅡ型伺服电机。YEE的其他进展包括正在开发中的额定功率0.5～5kW防爆及遵循ATEX标准的交流伺服电机。安川公司的另一项开发成果是输出功率高达500kW的高功率伺服电机。该项目的商品化预计将于2007年完成。从中我们可以看到国际大厂向专用化、大型化伺服发展的动向。

1.2西门子交流伺服系统

SINAMICS是西门子的最核心的驱动产品，它可以通过与不同的SIMATIC控制器搭配，实现不同场景需求的运动控制。根据应用场景的不同，运动控制系统可分为基本运动控制，中端运动控制和高端运动控制。其中，基本运动控制主要采用SIMATICS7-200SMARTPLC或SIMATICS7-1200PLC脉冲序列、RS485通信或PROFINET通信连接SINAMICS驱动器进行调速和定位；中端的运动控制主要采用SIMATICS7-1500PLC通过PROFINET通信的方式连接SINAMICS驱动器进行调速、定位和相对同步控制；高端的运动控制主要采用SIMATICS7-1500T或SIMOTION控制器通过PROFINET通信的方式连接SINAMITICS驱动器进行调速、定位、相对同步、绝对同步、凸轮同步以及运动机构控制。

SINAMICS驱动器包含SINAMICS变频器和SINAMICS伺服驱动器，其中SINAMICS伺服驱动器产品包含SINAMICSV90伺服驱动器、SINAMICSS210伺服驱动器和S120伺服驱动器

SINAMICSV90伺服驱动器为单轴交流伺服驱动产品，需要和SIMOTICS1FL6伺服电机配套使用，组成整个伺服系统，在各行业广泛应用。

SINAMICSS210伺服驱动器也是单轴交流伺服产品(提供单相和三相供电伺服驱动器)，需要与与1FK2电机(提供紧凑型和高动态型伺服)配套使用。专为高动态、高性能的运动场景设计

SINAMICSS120伺服驱动器有单轴和共直流母线的多轴产品，与SIMOTICS1FK7或1FT7系列配套使用，满足高性能的多轴需求场合，同时在伺服内部支持DCC编程，可快速实现用户特定的驱动解决方案。

SINAMICS产品家族

1.3西门子小型伺服系统

SINAMICSV90伺服驱动系统是西门子公司满足基本应用的小型伺服驱动系统，包括SINAMICSV90伺服驱动器、SIMOTICS1FL6伺服电机和MOTION-CONNECT300连接电缆，功率范围为0.05~7kW。

根据伺服驱动器的控制方式不同，SINAMICSV90伺服驱动器可以分为脉冲型(PTI集成了脉冲序列输入、模拟量、RS485通信)和总线型（PN），根据驱动器的供电等级不同，又可分为交流220V(包含单相交流220V和三相交流220V)和三相交流400V

200-240V

400V

PTI版本

PN版本

总驱动列表

根据伺服电机的惯量不同，SIMOTICS1FL6伺服电动机可以分为低惯量伺服电机和高惯量伺服电机，根据电机编码器的类型不同，可以分为增量式编码器和绝对值编码器；根据是否带抱闸，可以分为带抱闸和不带抱闸两种伺服电机；根据是否带键，可以分为带键和不带键伺服。

高惯量1FL6

低惯量1FL6

根据连接电缆功能的不同，MOTION-CONNECT300连接电缆分为电动机动力电缆、电动机编码器电缆和电动机抱闸电缆；根据编码器不同，可以分为增量编码器电缆和绝对值编码器电缆；根据惯量不同，可以分为低惯量伺服连接电缆和高惯量伺服连接电缆，从外形也可以区分出来。

对于轴高为50的SIMOTICS1FL6低惯量伺服电动机，其中MOTION-CONNECT300为金属头，非塑料头。需要特别注意的是，MOTION-CONNECT300连接电缆是固定长度的非柔性电缆，对于需要灵活连接或者拖链使用的场合，可购买相关连接头，用户自己定做连接电缆。

另外SINAMICSV90伺服驱动系统各组件不允许任意组合，通常SINAMICSV90交流220V伺服驱动器通过MITION-CONNECT300低惯量伺服电动机连接电缆连接SIMOTICS1FL6低惯量电机；SINAMICSV90交流400V伺服驱动器通过MITION-CONNECT300高惯量伺服电动机连接电缆连接SIMOTICS1FL6高惯量电机；

SINAMICSV90伺服驱动系统可以广泛应用于电子组装、印刷行业、包装行业、金属成型行业等。

1.4选型步骤

a选择SIMOTICS1FL6伺服电动机

b选择SINAMICSV90伺服驱动器

c选择MOTION-CONNECT300连接系统

d选择SIMATICPLC控制器

选型步骤