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同步電機的應用
The Application of Danfoss FC300 Driving Permanent Magnetic Synchronous Servo Motor with HIPERFACE Interface Encoder feedback
摘要：丹佛斯FC300驅動器是高性能的伺服驅動器，加裝各種編碼器選件卡以后可以驅動各種伺服永磁同步電機。本文就丹佛斯FC302驅動器驅動帶HIPERFACE編碼器反饋的伺服永磁同步電機的應用加以詳細論述。
關鍵詞：伺服永磁同步電機 HIPERFACE
Abstract: Danfoss FC302 series driver is a high performance servo driver. It has all kinds of motor feedback option card to adapt all kinds of permanent magnetic synchronous servo motor. The thesis describe the application of FC302 driving HIPERFACE encoder feedback permanent magnetic servo motor.
Keywords: Permanent-Magnetic-Synchronous-Servo-Motor HIPERFACE-Encoder
引言：隨著生產速度和精度的提高，越來越多的設備需要使用伺服驅動。丹佛斯公司針對驅動應用開發了高性能的FC302系列伺服驅動器，適用于各種伺服永磁同步電機。伺服永磁同步電機有各種位置反饋裝置，常見的有旋轉變壓器，EnDat絕對位置編碼器，SSI絕對位置編碼器等。Hiperface編碼器也是一種常見的高精度編碼器，但是國內目前使用較少，因此需要對其具體應用方法作詳細介紹。
一、 HIPERFACE編碼器工作原理
HIPERFACE編碼器是一種串行絕對位置和正余弦模擬量信號混合編碼器，內部原理框圖見圖1。











編碼器有每轉2n周期的正、余弦模擬量信號輸出，又有RS485通訊絕對位置數字量信號輸出。正、余弦模擬量信號送入編碼器選件卡以后，又被分為兩路。一路經比較器整形以后變成A、B相增量脈沖信號，送入計數器，如同普通的增量編碼器；另一路放大后送入A/D轉換器，作絕對位置解碼用，如同普通的旋轉變壓器。RS485串行通信接口默認通信速率為9600Bd。
HIPERFACE編碼器同時解決了轉速、永磁同步電機換向位置檢測和高精度角度位置的檢測的問題。上電初始，驅動器先通過RS485串行接口讀出當前的絕對角度位置；然后根據增量脈沖信號獲取當前位置；高精度的正、余弦模擬量信號能提供極高精度的位置信息；而與此同時，信號頻率即使在很高的轉速下依然保持在相對較低的水平，因而能傳輸較遠的距離。

二、 接線：
丹佛斯編碼器選件卡MCB102支持長線驅動增量形編碼器、EnDat絕對位置編碼器、SSI絕對位置編碼器和HIPERFACE接口編碼器。當接HIPERFACE接口編碼器時，接線圖如圖2所示。
端子號 名稱 線顏色
2 電源（7-12V） 紅
4 電源地 藍
5 +COS 粉紅
6 COS參考地 黑
7 +SIN 白
8 SIN參考地 棕
9 RS485+ 灰
10 RS485- 綠

三、 驅動器參數設置：
以下以FC302驅動施耐德伺服永磁同步電機BSH1002M11F2A（SKS360 HIPERFACE編碼器反饋）為例，說明驅動器的參數設置辦法。FC302驅動器加裝了MCB102編碼器反饋選件卡和MCO305運動控制選件卡。
1. 控制方式和電機選擇：
參數號 參數名稱 設定值
1-00 控制方式 [1] 閉環轉速控制
或 [2] 轉矩控制（帶轉速反饋）
1-01 電機控制原理 [3] 磁通矢量帶反饋
1-02 電機磁通矢量控制反饋源 [2] MCB102
1-10 電動機選擇 [1] 隱極永磁同步電機



2. 永磁同步電機的電機參數：
永磁同步電機參數除了電機額定電流、額定轉速、額定轉矩、電機極數、定子電阻之外，還有自己的特有參數：1000rpm時感應電勢和d軸電感。
查閱電機說明書，得到電機參數表1：



















380V驅動器內部直流電壓約530V，考慮20%欲量，應選擇400Vdc選此組電機額定參數，因此得到電機額定電流2.30A、額定轉速2000rpm、額定轉矩5.20Nm和電機極數8極。

電機參數表2：

















查電機參數表2得到電機1000rpm時感應電勢146V；R20U-V為8.6Ω，換算為丹佛斯的“定子電阻”，需要除2；LdU-V為43.20mH，換算為丹佛斯的d軸電感需要除 。
變頻器內電機參數設置如下：
參數號 參數名稱 設定值
1-24 電機額定電流 2.30 A
1-25 電機額定轉速 2000 rpm
1-26 電機額定轉矩 5.20 Nm
1-30 定子電阻 4.3 Ω
1-37 d軸電感 24.94 mH
1-39 電機極數 8 極


3. 編碼器參數：
查閱編碼器說明書，得到編碼器參數表：

























參數號 參數名稱 設定值
17-10 增量信號類型 [2] 正弦1Vpp
17-11 增量脈沖分辨率 128 ppr
17-20 絕對協議選擇 [1] HIPERFACE
17-21 絕對編碼器分辨率 4096 ppr
17-34 HIPERFACE波特率 [4] 9600
四、 轉子磁極位置偏差校準辦法：
永磁同步電機的矢量控制需要知道電機轉子的確切角度位置，由于廠家安裝的原因，絕對編碼器反饋的位置與電機轉子的零位存在相位差，所以需要通過調試測得此相位差。丹佛斯FC302驅動器測試此相位差的具體調試步驟如下：

























五、 位置控制方法：
丹佛斯運動控制卡MCO305具有多種運動控制功能，可以實現絕對或相對位置定位，角度或速度同步控制，電子凸輪控制等功能。MCO305本體有兩個編碼器輸入接口，支持增量或SSI多圈絕對位置編碼器。其中一個接主機編碼器信號，另一個接本機編碼器信號。當本機編碼器信號來自選件卡MCB102時，需要設置以下參數：
參數號 參數名稱 設定值
32-50 從機反饋來源 [3] 電機控制反饋來源（MCB102）
32-01 編碼器分辨率 1024 ppr
現在電機每轉一圈，當前位置就會增加4096


六、 運行效果：
電機空載運行時電流只有約0.06A，定位響應很快，完全滿足用戶的要求。

參考文獻
[1] FC300 Design Guide. MG33BC02. Danfoss
[2] MCO305 Design Guide. MG33L502. Danfoss
[3] BSH Servo Motor manual. V2.00. 2010.06. Schneider Electric
[4] SKS36 SKM36 Data Sheet. 2010.10. SICK STEGMANN

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