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引言

SINAMICS V90 這款產品具備規格齊全、安全可靠、調試方便、功能完善等優點，在各個行業都有廣泛的應用。伺服驅動器的使用中繞不開扭矩控制，可能有人說我用的是定位控制或速度控制，沒有用到扭矩控制，實際情況真的是這個樣子嗎？接下來就帶大家走進伺服控制的內部去一探究竟。

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伺服控制回路介紹

2.1  位置控制原理分析圖2.1給出了伺服控制中典型的位置控制原理圖。從圖中可以看出位置控制有三個回路，Zui外層是位置環，位置環根據設定的位置值和反饋的位置值計算出位置誤差，該誤差進入位置環控制器，得出速度設定值，速度設定值經過限幅操作，限制在工藝所需速度范圍之內，然后進入到中間的速度環，速度設定值和速度反饋值計算出速度誤差，該誤差進入到速度環控制器，得出扭矩設定值，扭矩設定值經限幅環節，限制在工件能夠承受的安全扭矩或限制在伺服能輸出的Zui大安全扭矩范圍，之后進入到Zui內層的扭矩環，根據扭矩設定值和扭矩反饋值計算出扭矩誤差，利用扭矩環計算出所需電壓值加到電機繞組上完成電機旋轉控制。

由以上分析可以看出位置控制回路跟扭矩控制相關，此時扭矩設定值來源是速度回路輸出，是不可人為控制的，而扭矩限幅值來源是硬件限制或工藝限制，可以根據需求調整。

圖2.1 位置控制原理圖

2.2  速度控制原理分析

圖2.2給出了伺服控制中速度控制的典型原理圖。和圖2.1對比會發現，速度控制將Zui外層的位置環去掉了，此時速度設定值的來源不再是位置環的輸出，而是直接的速度設定值。該設定值來源可以是通信給定，可以是電位器給定，也可以是伺服驅動器內部直接設定好的數據。速度設定值需要限幅操作，比如伺服電機的Zui大速度可能是5000r/min，但實際工藝上只允許電機運轉到3000r/min，經過限幅環節之后可以限制在工藝所需的速度范圍之內。速度環計算完成后得出扭矩設定值，扭矩設定值經過限幅環節，限制在工件能承受的安全扭矩或限制在伺服能輸出的Zui大安全扭矩。之后進入到扭矩環，根據扭矩設定值和扭矩反饋值計算出扭矩誤差，利用扭矩環計算出所需電壓值加到電機繞組上完成電機旋轉控制。由以上分析可知，速度控制中也用到了扭矩控制，此時扭矩設定值來源是速度回路輸出，是不可人為控制的，而扭矩限幅值來源是硬件限制或工藝限制，可以根據需求調整。在速度控制模式下位置信息不可知，因為沒有位置環參與。

圖2.2 速度控制原理圖

2.3  扭矩控制原理分析

圖2.3給出了典型扭矩控制原理圖。結合上文分析可知，扭矩控制只保留了Zui內層的扭矩環，扭矩設定值不再是速度環的輸出，可以是通信給定，可以是電位器給定，也可以是伺服驅動器內部設置好的參數，而且扭矩設定值也可以進行幅值的限制，防止該設定值超出允許的范圍導致機械損壞。扭矩設定值和扭矩反饋值計算出扭矩誤差后進入到扭矩環控制器進行計算，將計算得出的電壓值加到電機繞組上完成電機旋轉控制。由以上分析可知，扭矩控制中，扭矩的設定值和扭矩的限幅值可以根據需求人為調整，但該模式下速度不可控，位置信息不可知，因為整個的控制回路中沒有速度環和位置環的參與。

圖2.3 扭矩控制原理圖

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V90伺服驅動器扭矩控制

經過上文分析可知，當伺服驅動器在位置控制模式和速度控制模式下，扭矩給定值是不能人為設定的，只能做限幅操作。因為此時該設定值的來源都是速度環的控制器輸出，不能人為干預，但可以根據工藝需求進行幅值的限制。而當伺服驅動器工作在扭矩模式時，雖然扭矩設定值和扭矩限幅值可以人為修改，但位置不可知，速度不可控。

3.1 位置控制模式下實現扭矩限幅

V90 伺服驅動器實現位置控制有兩種方式，第一種是利用伺服驅動器的基本定位功能(EPOS)完成，第二種是利用 PLC 組態工藝對象（TO）完成。這兩種位置控制的區別是位置環在伺服驅動器還是在 PLC。實現定位的流程還是基于圖2.1。因此這兩種方式都是可以實現扭矩限幅的。

3.1.1 EPOS 模式下的扭矩限幅

在 EPOS 模式下實現扭矩限幅借助于固定停止點功能實現，該功能可以完成擰緊或夾緊的相關工藝，比如讓電機帶著螺絲旋轉，當扭矩達到限制的緊固扭矩后反饋已到達并且螺絲不再旋轉的標志位。此功能包含在 EPOS 模式的運行程序段中，具體設置方法如下：

1）驅動器配置為 EPOS 模式2）進入參數設值頁面，設置運行Zui大行程，運行速度，運行加速度及減速度3）點擊任務設置，配置任務為“2：固定擋塊”4）當任務選擇為固定擋塊時，參數的含義就是扭矩限制值，單位是 0.01Nm,設置20含義是設置扭矩限制值為 0.2Nm5) 使用 FB284 指令的模式 6 執行運行程序段功能

圖3.1 EPOS模式下的扭矩限幅設置

3.1.2 工藝對象（TO）模式下的扭矩限幅

工藝對象(TO)模式下進行扭矩限幅時需要根據組態時所選擇的報文來確定實現方式。當選擇3號報文組態工藝對象(TO)時，需要增加附加750報文完成扭矩限幅，因為3號報文中沒有扭矩限幅相關的控制字，而當選擇102/105報文組態工藝對象(TO)時，既可以選擇102/105報文自帶的 MOMRED 進行扭矩限幅，也可以選擇附加750報文進行扭矩限幅，具體實現方法如下：

1)驅動器配置為速度模式2)選擇報文3+750或者102/105(+750)3)組態標準工藝對象（TO）4)取消工藝對象跟隨誤差監控功能5)使用750報文或 MOMRED 進行扭矩限幅

注意：S7-1200 系列 PLC 在工藝對象(TO)模式下組態750報文后無專用指令，需要根據下圖提供的對應關系直接操作給750報文分配的Q地址。

圖3.2 750報文扭矩限幅數據對應關系

S7-1500系列PLC使用102/105報文組態工藝對象時可以使用指令MC_TorqueLimiting指令的模式0進行扭矩限幅，如果組態了750報文，也可以使用MC_TorqueRange 指令進行扭矩限幅，需要注意的是這兩個指令不能同時激活，否則會報錯。

圖3.3 MC_TorqueLimiting指令
圖3.4  MC_TorqueRange指令

3.2 速度控制下實現扭矩限幅 

速度控制是在位置控制的基礎上去掉了Zui外層的位置環，結合上文分析可知，當去掉位置環后基本定位器(EPOS)模式將不存在，參考工藝對象(TO)模式時伺服驅動器本身就是工作在速度模式下，因此3.1.2所講解的扭矩限幅方式依然可用，具體實現步驟如下：

1)驅動器配置為速度模式

2)選擇報文：主報文(+750)

3)使用 750 報文或 MOMRED 進行扭矩限幅

注意：在速度模式下不再組態工藝對象(TO)，所以無論是使用750報文還是102/105報文的 MOMRED 進行扭矩限幅，都需要直接操作 Q 地址來實現。750報文的數據對應關系請參考圖 3.2，MOMRED 控制字的對應關系如圖 3.5 所示，計算公式：實際扭矩限值 = P2003(基準扭矩)×（1 – MOMRED/16#4000）。

圖3.5 MOMRED控制字和扭矩限幅對應關系