西門(mén)子840Dsl針對力矩電動(dòng)機控制技術(shù)的應用-西門(mén)子力矩電機維修

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數控機床高速切削技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應用的需要對機床的性能提出了越來(lái)越高的要求，特別是針對磨具加工的高速五軸加工中心，在保證加工精度與表面粗糙度的同時(shí)，又要實(shí)現高速度和高加速度的加工，所以每個(gè)軸都必須連接簡(jiǎn)單才能做到間隙更小，響應更快。

過(guò)去所采用的伺服電動(dòng)機帶動(dòng)蝸桿蝸輪傳動(dòng)方式的轉臺已逐漸被可直接驅動(dòng)負載，省去減速傳動(dòng)齒輪，從而提高系統的運行精度的力矩電動(dòng)機式轉臺所取代。因此，數控系統如何控制力矩電動(dòng)機平穩的運行，保護力矩電動(dòng)機和伺服驅動(dòng)器的使用壽命，既能發(fā)揮力矩電動(dòng)機的高速特性，又能保有力矩電動(dòng)機大扭矩輸出的特點(diǎn)，成為一項關(guān)鍵的技術(shù)。

力矩電動(dòng)機本質(zhì)上是一種大力矩的三相永磁電動(dòng)機。與普通永磁電動(dòng)機相比，它在結構上具有以下特點(diǎn)：長(cháng)徑比小，軸向長(cháng)度短，極對數多，轉子上安排有大量永磁體以提供大轉矩。

在數控機床上所采用的力矩電動(dòng)機大多數為交流力矩電動(dòng)機，采用交流力矩電動(dòng)機拖動(dòng)負載，與采用高速的伺服電動(dòng)機經(jīng)過(guò)減速裝置拖動(dòng)負載相比有很多優(yōu)點(diǎn)，如響應快、精度高、轉矩與轉速波動(dòng)小、能在低速場(chǎng)合下長(cháng)期穩定運行以及機械特性和調節特性的線(xiàn)性好等。

（1）硬件設計。VMC087mu五軸加工中心，轉臺采用的是LCM生產(chǎn)的搖籃式力矩電動(dòng)機轉臺，工作臺可以環(huán)繞X軸回轉，定義為A軸。工作臺的中間還設有一個(gè)回轉臺，環(huán)繞Z軸回轉，定義為C軸。A、C軸控制方式是一致的，本文以控制回轉臺的力矩電動(dòng)機C軸為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

從C軸電動(dòng)機端中引出了3根動(dòng)力線(xiàn)，一條絕對值位置編碼器線(xiàn)，三組電動(dòng)機溫度傳感器線(xiàn)。將3根動(dòng)力線(xiàn)與西門(mén)子840Dsl驅動(dòng)模塊相連，三組電動(dòng)機溫度傳感器KTY1、KTY2和KTY3與溫度控制器連接，溫度傳感器阻值經(jīng)轉接盒處理后輸出一組模擬量信號KTY+與KTY-，連接到SME125的X200端口的1和2角，位置編碼器接到SME125的X100端口，最后X125的端口X500采用西門(mén)子的DRIVE-CliQ通訊線(xiàn)連接C軸驅動(dòng)模塊的X203端口，作為數控系統端檢測位置與監測溫度的信號（見(jiàn)圖1）。

圖1　硬件接線(xiàn)圖

（2）系統參數配置。對于西門(mén)子840Dsl數控系統來(lái)說(shuō)LCM力矩電動(dòng)機屬于第三方電動(dòng)機，因此在進(jìn)行系統驅動(dòng)配置時(shí)，電動(dòng)機選擇第三方旋轉同步電動(dòng)機，電動(dòng)機參數按照力矩電動(dòng)機說(shuō)明書(shū)輸入各個(gè)數據。值得注意的是在輸入完力矩電動(dòng)機電感后，進(jìn)行下一步前要選擇不進(jìn)行電動(dòng)機數據的計算，如果選擇計算會(huì )改變已經(jīng)輸入的力矩電動(dòng)機電感值，從而影響數控系統內部計算出的力矩電動(dòng)機電流環(huán)增益。

進(jìn)行軸分配后，初次通電時(shí)會(huì )出現207414的報警號，報警內容為編碼器序列號改變，這是接入第三方電動(dòng)機全新調試所導致的，此時(shí)將驅動(dòng)參數P10設置為4編碼器調節模式，再將P440設置為1進(jìn)行編碼器序列號重新識別，識別完成后，報警會(huì )自動(dòng)消失，重新將P10設置為0驅動(dòng)就緒模式。

由于力矩電動(dòng)機的溫度檢測是由SME125轉接到系統內部的，因此將驅動(dòng)參數P601改為10通過(guò)多個(gè)溫度通道分析SME125，將P4601改為20KTY84，告知系統溫度傳感器型號，系統會(huì )自動(dòng)計算出相應的溫度值。

（3）力矩電動(dòng)機轉子位置識別。對于力矩電動(dòng)機來(lái)說(shuō)，在使用之初需要測量出編碼器和轉子之間的相位角，這樣才能保證轉子磁場(chǎng)與定子的電磁場(chǎng)同步。如果這個(gè)角度未測或者角度設定不準確，會(huì )導致電動(dòng)機運行時(shí)電流過(guò)大。

西門(mén)子840Dsl數控系統識別力矩電動(dòng)機轉子使用基于飽和法的兩種不同識別方式，即飽和法1次+2次諧波、飽和法1次諧波。由于電動(dòng)機轉子定子所決定的磁極位置飽和曲線(xiàn)R1985和磁極位置觸發(fā)特性R1987的相對位置不變。所以必須根據磁極位置飽和曲線(xiàn)和磁極位置觸發(fā)特性的相對位置來(lái)選擇識別方式。

識別開(kāi)始前，使用工具StartUp-Tool追蹤磁極位置飽和曲線(xiàn)R1985和磁極位置觸發(fā)特性R1987的圖形，在兩次磁極位置觸發(fā)過(guò)程中磁極位置飽和曲線(xiàn)有兩次波動(dòng)時(shí)（見(jiàn)圖2）,即采用飽和法1次+2次諧波的方法，在兩次磁極位置觸發(fā)過(guò)程中磁極位置飽和曲線(xiàn)有一次波動(dòng)時(shí)（見(jiàn)圖3），即采用飽和法1次諧波的方法。根據測試出的不同曲線(xiàn)在P1980內選擇相應的識別方式進(jìn)行識別。

圖2　采用飽和法1次+2次諧波的波形

圖3　采用飽和法1次諧波的波形

確定識別方法后進(jìn)行轉子識別，設置識別時(shí)的驅動(dòng)參數，在P235、P239內設置識別時(shí)的電流，此電流值應為力矩電動(dòng)機額定電流的20%~40%，在P1981根據實(shí)際情況設置測試轉子位置識別時(shí)電動(dòng)機移動(dòng)的最大距離。確認P1980設置適合的識別方式，將P1990設置為1，轉子位置識別開(kāi)始。識別結束P1990自動(dòng)變?yōu)?，P431內會(huì )顯示出識別后換向角偏移的位置。

識別結束后進(jìn)行角度測試，將參數P1983設置為1，查看參數R1984內的數值，如果小于10度，則轉子識別正確。保存驅動(dòng)參數，每次驅動(dòng)通電，系統直接使用P431內換向角的偏移角度。

（4）優(yōu)化力矩電動(dòng)機。因為力矩電動(dòng)機對于西門(mén)子840Dsl數控系統來(lái)說(shuō)屬于第三方電動(dòng)機，所以要進(jìn)行優(yōu)化得出合適的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的增益數據。首先進(jìn)行電流環(huán)增益的優(yōu)化，設置P1910為1進(jìn)行靜態(tài)電動(dòng)機參數識別，得出合適的電流環(huán)增益。然后進(jìn)行數控系統自帶的自動(dòng)優(yōu)化功能，選擇符合機床的優(yōu)化策略，進(jìn)行電動(dòng)機優(yōu)化，得出合適的速度環(huán)與位置環(huán)增益。

（5）力矩電動(dòng)機運行檢測。力矩電動(dòng)機配置完成后，運行力矩電動(dòng)機，使用工具StartUp-Tool追蹤力矩電動(dòng)機的電流、力矩輸出、輪廓誤差以及跟隨誤差（見(jiàn)圖4），如果這四個(gè)數據沒(méi)有較大的波動(dòng)，表明數控系統對力矩電動(dòng)機控制合適。