直線電機(jī)在高速防護(hù)罩試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用研究
2022-3-1 來源： 沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 作者：趙 鑫
數(shù)控機(jī)床高速切削技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)制造應(yīng)用中的實(shí)際需求，都對(duì)機(jī)床的性能提出了越來越高的要求。作為數(shù)控機(jī)床中的重要部件，防護(hù)罩的速度性能受到越來越多的重視。由沈陽機(jī)床鈑焊事業(yè)部新出品的鋼板式新型高速防護(hù)拉罩的速度可以達(dá)到 60m/min，加速度也提高到舊產(chǎn)品的數(shù)倍。
為了針對(duì)此款新型鋼板式高速防護(hù)拉罩進(jìn)行長時(shí)間耐久性試驗(yàn)，沈陽機(jī)床設(shè)計(jì)研究院新品實(shí)驗(yàn)基地設(shè)計(jì)了高速防護(hù)罩測試試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)其進(jìn)行測試。考慮到測試目的是為了檢驗(yàn)防護(hù)罩的高速度和高加速度性能，在對(duì)比了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)的特點(diǎn)之后，選擇了使用直線電機(jī)作為測試防護(hù)罩的試驗(yàn)電機(jī)。
一、直線電機(jī)的特點(diǎn)
直線電機(jī)可以作是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)徑向剖開，然后將電機(jī)的圓周展成直線。與傳統(tǒng)交流電動(dòng)機(jī)相比，直線電機(jī)直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，而不是像傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，要用滾動(dòng)絲杠進(jìn)行傳動(dòng)的形式，如圖 1 所示。
圖 1 由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)橹本€電機(jī)的過程
直線電機(jī)的傳動(dòng)力是在氣隙中產(chǎn)生的，線性模組除了直線電機(jī)導(dǎo)軌外，沒有其他任何的摩擦。其運(yùn)行的行程在理論上是不受限制的，而且其性能不會(huì)因?yàn)樾谐檀笮「淖兌艿接绊憽?/font>
直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，通過最少的零部件數(shù)量實(shí)現(xiàn)要完成的直線驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)轉(zhuǎn)可以提供很寬的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，特別是在高速狀態(tài)下運(yùn)行是一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。
直線電機(jī)可以提供很大的加速度，最大可達(dá)到 10g，同時(shí)可以做到運(yùn)行平穩(wěn)，這是因?yàn)槌似鹬巫饔玫闹本€導(dǎo)軌和氣浮軸承外，伺服電動(dòng)缸沒有其他機(jī)械連接或轉(zhuǎn)換裝置的緣故。
直線電機(jī)具有較高的精度和重復(fù)定位精度，因?yàn)槠湎擞绊懢鹊闹虚g環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的精度取決于位置檢測元件，有合適的反饋檢測裝置可達(dá)到微米級(jí)。
在維護(hù)保養(yǎng)方面，由于直線電機(jī)的部件少，運(yùn)動(dòng)時(shí)無機(jī)械接觸，大大降低了部件間的磨損，只需很少維護(hù)甚至可以無需維護(hù)，壽命較長。但是直線電機(jī)也有耗電量較大，發(fā)熱量較大而且不利于散熱的一些相對(duì)劣勢(shì)的地方，這些也需要引起設(shè)計(jì)工程師的注意。
二、基于西門子數(shù)控系統(tǒng)的直線電機(jī)應(yīng)用研究
1.硬件設(shè)計(jì)
高速防護(hù)罩試驗(yàn)臺(tái)配有西門子 1FN3 系列的直線電機(jī)，從直線電機(jī)端引出 3 條動(dòng)力線、一條地線和兩對(duì)溫度信號(hào)線（一對(duì) KTY84、一對(duì)PTC），編碼器采用海德漢 LC183 絕對(duì)式光柵尺。動(dòng)力線直接與西門子 840Dsl 的驅(qū)動(dòng)模塊連接。溫度信號(hào)線連接編碼器模塊 SME125 的X200 端口，編碼器信號(hào)線電纜連接至 SME125模塊的 X100 端口，最后 SME125 的 X500 接口通過 DRIVE.-CLiQ 線與驅(qū)動(dòng)模塊的 X202 連接，如圖 2 所示。
圖 2 直線電機(jī)硬件連接
2.直線電機(jī)首次通電和驅(qū)動(dòng)的配置
直線電機(jī)第一次通電前，在給使能之前，務(wù)必限制 p640 為缺省值的十分之一或者更小 ; 電機(jī)正常運(yùn)行后再恢復(fù) p640。另外，降低電機(jī)溫度報(bào)警閾值 p604、p605，也對(duì)保護(hù)直線電機(jī)起正向的作用。
試驗(yàn)臺(tái)采用的直線電機(jī)為西門子公司制造的1FN3600-3WC00 系列直線電機(jī)，該電機(jī)可以通過西門子系統(tǒng)自動(dòng)讀入電機(jī)的相關(guān)參數(shù)。
3.關(guān)于編碼器極性的校正和配置
對(duì)于直線電機(jī)，需要校正編碼器極性。首先確認(rèn)驅(qū)動(dòng)的正方向，再校正編碼器計(jì)數(shù)正方向。直線電機(jī)初級(jí)移動(dòng)時(shí)，初級(jí)朝與出線方向相反的方向?yàn)轵?qū)動(dòng)正方向，如圖 3 所示。
圖 3 驅(qū)動(dòng)正方向
確定編碼器計(jì)數(shù)正方向，讀數(shù)頭遠(yuǎn)離銘牌的方向?yàn)榫幋a器計(jì)數(shù)的正方向，如圖 4 所示。轉(zhuǎn)子的位置信息一般可以由電機(jī)編碼器提供，但由于直線電機(jī)本身沒有編碼器，需要通過外置的編碼器獲取位置，本試驗(yàn)臺(tái)中使用海德漢光柵尺絕對(duì)式編碼器 LC183。
圖 4 編碼器計(jì)數(shù)器的正方向
按驅(qū)動(dòng)正方向推動(dòng)初級(jí)部件，若測量系統(tǒng)計(jì)數(shù)值增加，則不需要反極性，如果計(jì)數(shù)值減少， 則需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)參數(shù) p410[0] Encoderinvertion actual value =H3。
實(shí)際采用的海德漢直線光柵尺 LC183c，柵距 0.02mm。系統(tǒng)配置后會(huì)自動(dòng)讀入默認(rèn)值，僅需檢查驅(qū)動(dòng)參數(shù) p404、p407。
4.直線電機(jī)的溫度評(píng)估
正確連接被系統(tǒng)識(shí)別后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀入默認(rèn)值，僅需檢查，見表 1。
表 1 驅(qū)動(dòng)參數(shù)
當(dāng)溫度顯示值不等于 -200℃時(shí)，該溫度顯示有效（已經(jīng)連接了一個(gè) KTY84/PT1000 溫度傳感器）; 當(dāng)溫度顯示值等于 -200℃時(shí)，該溫度顯示無效（溫度傳感器故障，或已連接了一個(gè)PTC 傳感器）。
試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際采用的是 SME125 編碼器模塊，連接一組 KTY84 溫度傳感器。應(yīng)正確設(shè)置下列溫度傳感器參數(shù)。本實(shí)例中相關(guān)參數(shù)和設(shè)定值見表 2。
表 2 驅(qū)動(dòng)參數(shù)
5.直線電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的識(shí)別
由于直線電機(jī)工作原理，決定了驅(qū)動(dòng)必須知道電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，測量出電機(jī)轉(zhuǎn)子和編碼器之間的相位角，再通以合適相位的電流才能保證電機(jī)的最佳特性。如果這個(gè)角度未測量或者角度設(shè)定不準(zhǔn)確，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流過大。
驅(qū)動(dòng)識(shí)別轉(zhuǎn)子位置（或稱同步）包含兩個(gè)過程 : 粗同步和精同步。粗同步保證電機(jī)可以運(yùn)動(dòng) ;精同步保證電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)可以達(dá)到最佳。識(shí)別方法 1: 基于電流飽和的識(shí)別方法，見表 3。
表 3 驅(qū)動(dòng)參數(shù)
表 4 識(shí)別方式的應(yīng)用場景
識(shí)別方法 2: 基 于 運(yùn) 動(dòng) 的 識(shí) 別 方 法。P1980=10。基于運(yùn)動(dòng)的方式意味著測試時(shí)，必須存在運(yùn)動(dòng)，所以不適用于垂直軸的識(shí)別。識(shí)別方法 3: 基于微變形的識(shí)別方法（很少使用）。P1980=20。用于無鐵芯的直線電機(jī)。使用微變形方法必須滿足前提條件 : 必須有抱閘。
表4 給出了不同轉(zhuǎn)子識(shí)別方式的應(yīng)用場景。
對(duì)于本試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際采用的 1FN3 系列直線電機(jī)，在識(shí)別方法的選擇上，只能采用 P1980=1（飽和法一次諧波識(shí)別方式）或者 10（運(yùn)動(dòng)法識(shí)別方式）。
表 5 飽和法驅(qū)動(dòng)參數(shù)說明
表5 指出了磁極位置檢測識(shí)別方法的相關(guān)參數(shù)說明。
基于電流飽和轉(zhuǎn)子位置識(shí)別調(diào)試的流程 ( 僅針對(duì)本試驗(yàn)臺(tái)使用的絕對(duì)值式光柵尺 )。
（1）粗同步
編碼器通過磁極位置識(shí)別
p404 設(shè)置，實(shí)例中的 p404 是系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別上來。設(shè)置 p1982，對(duì)于本例中的絕對(duì)值編碼器 p1982=2。
（2）基于電流飽和法
P1980 PolID technique=1，1 代表選擇飽和法一次諧波識(shí)別方式。
P329[0] Mot PolID current=額定電流的 10%-30%。
（3）基于運(yùn)動(dòng)法
P1980 PolID technique=10，10 代表選擇運(yùn)動(dòng)法識(shí)別方式。P329[0] Mot PolID current=額定電流的 10%-30%。
（4）精同步
P1990 Enc_adj de tang=1啟動(dòng)轉(zhuǎn)子位置識(shí)別。
給伺服軸使能，驅(qū)動(dòng)使能后，電機(jī)會(huì)發(fā)出 “嗡嗡” 聲。
報(bào)警號(hào)207965<location>Drive: Save required，此時(shí)換向角自動(dòng)寫入 p431( 換向角偏移 )。然后保存驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。
檢查 r1992=H1F80 bit7=1bit8=1 bit9=1 bit10=1，見表 6。
表 6 r1992 參數(shù)表
（5）檢查換向角
設(shè)置 p1983 PolID test = 1 啟動(dòng)磁極位置檢測測試。
檢查 r1984 PolID ang diff<10 數(shù)值應(yīng)該小于 10。
完成上述調(diào)試過程后，保存驅(qū)動(dòng)參數(shù)，之后每次驅(qū)動(dòng)上電，系統(tǒng)會(huì)直接使用 P431 內(nèi)的換向角偏移角度。
6.直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化
為了讓設(shè)備的電氣性能和機(jī)械性能更加匹配，進(jìn)而獲得最佳的動(dòng)態(tài)性能和控制效果，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化主要是三環(huán)控制的優(yōu)化，也就是電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。電流環(huán)是控制的根本，完全在控制器內(nèi)部進(jìn)行，以電流信號(hào)作為反饋，一般是霍爾傳感器完成 ; 速度環(huán)一般通過電機(jī)編碼器進(jìn)行負(fù)反饋的 PID 調(diào)節(jié)，使電機(jī)速度與設(shè)定速度保持一致 ; 位置環(huán)是最外側(cè)的一環(huán)，也是最終要控制的一環(huán)，使用位置傳感器進(jìn)行反饋。三環(huán)控制過程如圖 5 所示。
圖 5 伺服驅(qū)動(dòng)的三環(huán)控制
直線電機(jī)調(diào)試運(yùn)行正常后，就應(yīng)該進(jìn)行驅(qū)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化的過程。利用西門子數(shù)控系統(tǒng)提供的自動(dòng)伺服優(yōu)化（AST），可以制定自定義優(yōu)化策略和方案。由于本實(shí)例中使用的是西門子系列電機(jī)，電流環(huán)出廠已設(shè)置好，因此主要對(duì)速度環(huán)、位置環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的思路和原則是調(diào)增益和時(shí)間數(shù)。優(yōu)化后，觀察速度環(huán)和位置環(huán)的幅頻測試曲線，并查看電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的各參數(shù)，都在正常值，即可完成優(yōu)化。本實(shí)例中速度環(huán)的增益 P1460 優(yōu)化后的數(shù)值比較大 , 值為 101795.516，位置環(huán)增益 32200 為3.99999992。
7.直線電機(jī)運(yùn)行檢測
直線電機(jī)完成配置之后，高速防護(hù)罩試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。在西門子系統(tǒng)界面上，跟蹤直線電機(jī)的運(yùn)行電流、輸出力矩、跟隨誤差和輪廓誤差。上述數(shù)據(jù)在實(shí)際運(yùn)行中都沒有較大的波動(dòng)和偏離，表明數(shù)控系統(tǒng)對(duì)直線電機(jī)的控制是合適的。
三、總結(jié)
本文結(jié)合沈陽機(jī)床設(shè)計(jì)研究院新品實(shí)驗(yàn)基地的高速防護(hù)罩試驗(yàn)臺(tái)，分析了直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及對(duì)比伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，詳細(xì)說明了西門子數(shù)控系統(tǒng)與直線電機(jī)的接線方式以及直線電機(jī)轉(zhuǎn)子位置識(shí)別的方法，最終通過檢測直線電機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)上的實(shí)際應(yīng)用運(yùn)行狀態(tài)證明了電機(jī)可以穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。
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