交流異步電動機以其穩(wěn)定可靠的運行性能，十分理想的運行經濟性能，以及極其有限的運行維護要求獲得了絕對廣泛的應用，幾乎所有通用機械的源動力均來源于交流異步電動機，且其機械源動力的主導地位經久不衰。這是眾所周知的事情。然而，交流異步電動機的運行原理使其調速方式完全不同于直流電動機。自從異步電動機誕生以來，其調速運行的特殊要求始終困擾著人們。人們鐘情于異步電動機可靠的機電特性，也無奈于異步電動機的調速難度。為了使異步電動機適用于各種調速場合，人們采取過多種諸如轉子串電阻調速，調壓調速等低效高耗的調速方式。現代變頻調速器的出現終于使人們在異步電動機的應用上有了高效靈活的調速手段。然而，隨著應用領域的不斷擴展，應用要求的不斷提高，簡單的調速性能已不能滿足全部應用需求。在很多領域，人們需要多軸的高精度同步運行，單軸或者多軸的高精度定位控制，即機械系統(tǒng)的伺服運行。由于經典伺服系統(tǒng)的復雜性和昂貴的投入，使人們再次將目光集中到異步電動機上。但是，即使象現代變頻調速器這樣精密靈活的調速設備，也很難用簡單的方法來駕馭建立在滑差運行原理上的交流異步電動機，使其擔任伺服運行任務。為了利用變頻調速器的靈活性來完成伺服任務，人們嘗試過許多努力。典型的方案有“AC電機 – 變頻器 – PLC – 光電編碼器+ 機械鎖定機構”或者“AC電機 – 變頻器 – 單片機 – 光電編碼器+機械鎖定機構”等等。這些方案雖然在邏輯上采取了類似伺服系統(tǒng)的電機軸速和軸位置的檢測作為反饋信號以期獲得速度或軸位置的精確調整。但是，由于上述各方案的組成部件之間并非有機的結合，系統(tǒng)存在計算速度，運行精度均顯粗糙的問題，只能在穩(wěn)態(tài)運行時滿足較低的技術要求，動態(tài)過程幾乎無法確定，完全不能與典型的伺服系統(tǒng)相比擬。
丹麥丹佛斯有限公司推出的VLT5000系列變頻調速器專用的同步及定位控制卡 (SyncPos)完全實現了異步電動機的伺服運行功能，并在電機容量上彌補了伺服系統(tǒng)大容量的空缺（0.55kW – 90kW），為人們提供了一種性價比極高的動力設備。本文將討論SyncPos 的系統(tǒng)組成，運用條件及主要技術指標。
1. 經典伺服系統(tǒng)回顧
人們對經典伺服系統(tǒng)已經很熟悉。在經典的伺服系統(tǒng)中，伺服電機，伺服驅動器，控制器件（PLC，PC等）是必須的組成部分。位置或速度的檢測則視需要而定。由于伺服運行的特殊要求，如高速，高動態(tài)特性等，伺服系統(tǒng)的電機通常使用專用的伺服電機。電機可以是交流電機，也可以是直流電機。不同廠家的伺服電機通常需要特定的驅動器，產品互換性能較差。因此，傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)的成本一直居高不下，往往是用戶選擇動力方案時的重點考慮因素之一。
伺服系統(tǒng)的經典應用場合是，單軸定位控制；多軸位置同步或速度同步運行。在多軸同步運行時，視應用場合的技術要求，系統(tǒng)可以采用主從方式（或稱隨動方式）；也可以采用所謂虛擬主軸方式（高精度同步方式）。
2. VLT5000系列變頻調速器的專用伺服控制卡SyncPos
VLT5000系列變頻調速器是丹麥丹佛斯公司生產的通用系列產品。該系列產品具有強硬的電機動靜態(tài)性能和卓越的低頻性能，以及優(yōu)良的自穩(wěn)定性，是十分理想的動力傳遞設備。VLT5000系列的伺服控制卡SyncPos是丹佛斯公司專門為其VLT5000在同步與定位控制方面應用而設計的專用控制部件。該部件集控制邏輯和運行調節(jié)于一身，具有完全的伺服控制功能，而系統(tǒng)成本則大大低于經典伺服系統(tǒng)。SyncPos靈活的編程能力和調試環(huán)境使其能夠適應各種控制要求。WINDOWS平臺上的編程環(huán)境使編程工作異常方便。此外，專用的PID優(yōu)化程序以圖表方式給出PID參數的現狀并指出PID的調整方向，使受控軸在額定負荷以內的任何負載狀態(tài)下都能夠得到最佳的動態(tài)性能。
2.1 由SyncPos 組成的伺服系統(tǒng)的結構
SyncPos 卡是安裝在VLT5000內部的一塊高度集成的PCB板. 裝有SyncPos 的VLT5000變頻器便構成了一臺可編程序伺服控制器。該控制器以普通交流異步電動機為控制對象，光電編碼器為預定控制點的速度或位置反饋信號。控制器裝備有16個開關量輸入端子；3個轉換精度為10位的模擬量輸入端子；10個開關量輸出端子；2路與開關量共用端子號的8位模擬量輸出端子以及2路繼電器輸出端子。上述端子的映射內容均可由程序確定，以完成工程所需的I/O任務。此外，還有1個主軸編碼器信號輸入端子和1個從動軸編碼器輸入端子。用該伺服控制器可以分別構成單軸的定位控制運行，單軸隨動（主軸）運行，或者多軸虛擬主軸運行（高精度同步運行）等。
另有專門的參數設置。程序語言向用戶提供了所有與伺服運行相關的運行功能。如機械限位運行，機械復位運行等。此外，SyncPos還向用戶提供了通用PLC的絕大多數控制功能，如事件中斷運行等。在運行精度方面，如果用戶選擇了增量型光電編碼器，SyncPos將按光電編碼器的四分相脈沖（也稱細分脈沖）計數。例如，用戶選擇了1000脈沖/每轉的光電編碼器，則SyncPos的實際計數精度為4000脈沖/每轉。
SyncPos 向用戶提供程序的語法檢查，單步運行等通用PLC或單片機的程序調試手段。
2.3 SyncPos的PID參數整定
SyncPos 向用戶提供了PID參數整定的專用調試程序Testrun 。使用Testrun 用戶可以十分方便地將受控軸的動態(tài)性能調整到最佳狀態(tài)。只要系統(tǒng)的動態(tài)負荷不超過電機的最大允許過載倍數，機械系統(tǒng)的預定動態(tài)過程將與負荷無關。
整定PID參數時，首先打開Testrun，在Testrun的參數設置窗口中設置相應的運行數據。主要有系統(tǒng)的最高運行速度，最大加速度，指定運行步長，及采樣速率等。然后逐項設置調整前饋速度，前饋加速度和PID相關的參數。在參數設置的基礎上，執(zhí)行測試運行Testrun。每次測試運行后，系統(tǒng)將給出測試圖表，分別以曲線（測試曲線與給定曲線的比較）和測試數據給出結論，并指出調整方向。
2.4.1 SyncPos 應用領域
SyncPos的應用領域涉及所有中低速伺服系統(tǒng)，特別適合于經典伺服系統(tǒng)無法涉及的大功率應用項目。如大型機床的精密定位加工；大型安裝設備的精密定位控制；大跨度行車的兩端同步控制；以及造紙，紡織，印染，印刷行業(yè)的多軸同步控制等。此外，在化工領域的動態(tài)液體配比計量（計量泵的控制）中也是理想的選擇方案。SyncPos的應用涉獵范圍十分廣泛，在此不逐一贅述。
2.4.2 SyncPos在定長切割設備上的應用
某定長切割設備用于將1500毫米長，直徑不等的卷料切割成預定寬度的成品。待切割物料被固定在旋架上以固定的速度旋轉，另有可移動刀頭置于物料外表面，并可沿物料軸心方向平行移動。切割物料的寬度是由刀架的移動距離決定的。如，欲切割100毫米寬的產品，則使刀架移動100毫米即可。刀架的推動系統(tǒng)是由絲杠，減速機，異步電機組成的。由于物料的切割寬度，即刀架的移動距離是本系統(tǒng)的關鍵受控點，因此，設計者將內置有SyncPos的VLT5000用于刀架的源動力，并將檢測刀架移動距離的光電編碼器置于推進絲杠的一端，作為刀架的移動位置反饋。該系統(tǒng)的主要I/O信號如圖6所示。
系統(tǒng)的主要技術數據如下：
*設置切割寬度：2—1510mm ，設置精度0.005%
*設置切割數量: 500件
*運行切割精度的絕對誤差: ≤ 0.005mm
該系統(tǒng)的實際切割精度取決于推進絲杠的精確度（本系統(tǒng)為普通梯型絲杠），光電編碼器的分辨率和PID參數的整定精度。如果用戶希望進一步提高切割精度，可選則更加精密的滾珠絲杠，分辨率更高的光電編碼器。
2.4.3 SyncPos在雙軸同步系統(tǒng)的應用
某廠生產鋼絲加捻設備，將多股鋼絲加捻用于汽車真空胎的生產。設備采用主從隨動方式。由SyncPos控制加捻頭電機，使加捻頭電機的運行速度隨放線軸電機的放線速度的波動而波動，從而使鋼絲加捻的質量得到了質的提高。
3. 結束語
本文介紹了VLT5000系列變頻調速器的伺服控制卡SyncPos的主要內容。由于VLT5000及其伺服控制卡SyncPos以普通交流異步電動機為控制對象，使得系統(tǒng)成本遠低于經典伺服系統(tǒng)，其容量規(guī)格也大幅度超越了經典伺服系統(tǒng)，為用戶在大容量伺服運行工程中提供了一種理想的選擇方案。但是，值得指出的是，由于普通交流異步電動機自身的電磁慣量和機械慣量均大于伺服電機，因此，在同容量同負載條件下，使用VLT5000及其伺服控制卡SyncPos構成的伺服系統(tǒng)替代經典伺服系統(tǒng)時，需重點計算其加速度扭矩的需求。
