直線電機在高速防護(hù)罩試驗臺應(yīng)用研究
2022-3-1 來源： 沈陽機床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 作者：趙 鑫
數(shù)控機床高速切削技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)制造應(yīng)用中的實際需求，都對機床的性能提出了越來越高的要求。作為數(shù)控機床中的重要部件，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。
為了針對此款新型鋼板式高速防護(hù)拉罩進(jìn)行長時間耐久性試驗，沈陽機床設(shè)計研究院新品實驗基地設(shè)計了高速防護(hù)罩測試試驗臺，對其進(jìn)行測試。考慮到測試目的是為了檢驗防護(hù)罩的高速度和高加速度性能，在對比了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機和直線電機的特點之后，選擇了使用直線電機作為測試防護(hù)罩的試驗電機。
一、直線電機的特點
直線電機可以作是將一臺旋轉(zhuǎn)電機徑向剖開，然后將電機的圓周展成直線。與傳統(tǒng)交流電動機相比，直線電機直接產(chǎn)生直線運動，而不是像傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機，要用滾動絲杠進(jìn)行傳動的形式，如圖 1 所示。
圖 1 由旋轉(zhuǎn)電機演變?yōu)橹本€電機的過程
直線電機的傳動力是在氣隙中產(chǎn)生的，線性模組除了直線電機導(dǎo)軌外，沒有其他任何的摩擦。其運行的行程在理論上是不受限制的，而且其性能不會因為行程大小改變而受到影響。
直線電機結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，通過最少的零部件數(shù)量實現(xiàn)要完成的直線驅(qū)動，其運轉(zhuǎn)可以提供很寬的轉(zhuǎn)速運行范圍，特別是在高速狀態(tài)下運行是一個突出的優(yōu)點。
直線電機可以提供很大的加速度，最大可達(dá)到 10g，同時可以做到運行平穩(wěn)，這是因為除了起支撐作用的直線導(dǎo)軌和氣浮軸承外，伺服電動缸沒有其他機械連接或轉(zhuǎn)換裝置的緣故。
直線電機具有較高的精度和重復(fù)定位精度，因為其消除了影響精度的中間環(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。
在維護(hù)保養(yǎng)方面，由于直線電機的部件少，運動時無機械接觸，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劣勢的地方，這些也需要引起設(shè)計工程師的注意。
二、基于西門子數(shù)控系統(tǒng)的直線電機應(yīng)用研究
1.硬件設(shè)計
高速防護(hù)罩試驗臺配有西門子 1FN3 系列的直線電機，從直線電機端引出 3 條動力線、一條地線和兩對溫度信號線（一對 KTY84、一對PTC），編碼器采用海德漢 LC183 絕對式光柵尺。動力線直接與西門子 840Dsl 的驅(qū)動模塊連接。溫度信號線連接編碼器模塊 SME125 的X200 端口，編碼器信號線電纜連接至 SME125模塊的 X100 端口，最后 SME125 的 X500 接口通過 DRIVE.-CLiQ 線與驅(qū)動模塊的 X202 連接，如圖 2 所示。
圖 2 直線電機硬件連接
2.直線電機首次通電和驅(qū)動的配置
直線電機第一次通電前，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 ; 電機正常運行后再恢復(fù) p640。另外，降低電機溫度報警閾值 p604、p605，也對保護(hù)直線電機起正向的作用。
試驗臺采用的直線電機為西門子公司制造的1FN3600-3WC00 系列直線電機，該電機可以通過西門子系統(tǒng)自動讀入電機的相關(guān)參數(shù)。
3.關(guān)于編碼器極性的校正和配置
對于直線電機，需要校正編碼器極性。首先確認(rèn)驅(qū)動的正方向，再校正編碼器計數(shù)正方向。直線電機初級移動時，初級朝與出線方向相反的方向為驅(qū)動正方向，如圖 3 所示。
圖 3 驅(qū)動正方向
確定編碼器計數(shù)正方向，讀數(shù)頭遠(yuǎn)離銘牌的方向為編碼器計數(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編碼器提供，但由于直線電機本身沒有編碼器，需要通過外置的編碼器獲取位置，本試驗臺中使用海德漢光柵尺絕對式編碼器 LC183。
圖 4 編碼器計數(shù)器的正方向
按驅(qū)動正方向推動初級部件，若測量系統(tǒng)計數(shù)值增加，則不需要反極性，如果計數(shù)值減少， 則需要設(shè)置驅(qū)動參數(shù) p410[0] Encoderinvertion actual value =H3。
實際采用的海德漢直線光柵尺 LC183c，柵距 0.02mm。系統(tǒng)配置后會自動讀入默認(rèn)值，僅需檢查驅(qū)動參數(shù) p404、p407。
4.直線電機的溫度評估
正確連接被系統(tǒng)識別后，系統(tǒng)會自動讀入默認(rèn)值，僅需檢查，見表 1。
表 1 驅(qū)動參數(shù)
當(dāng)溫度顯示值不等于 -200℃時，該溫度顯示有效（已經(jīng)連接了一個 KTY84/PT1000 溫度傳感器）; 當(dāng)溫度顯示值等于 -200℃時，該溫度顯示無效（溫度傳感器故障，或已連接了一個PTC 傳感器）。
試驗臺實際采用的是 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)。本實例中相關(guān)參數(shù)和設(shè)定值見表 2。
表 2 驅(qū)動參數(shù)
5.直線電機轉(zhuǎn)子位置的識別
由于直線電機工作原理，決定了驅(qū)動必須知道電機轉(zhuǎn)子的位置，測量出電機轉(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的最佳特性。如果這個角度未測量或者角度設(shè)定不準(zhǔn)確，就會導(dǎo)致電機運行時電流過大。
驅(qū)動識別轉(zhuǎn)子位置（或稱同步）包含兩個過程 : 粗同步和精同步。粗同步保證電機可以運動 ;精同步保證電機運行狀態(tài)可以達(dá)到最佳。識別方法 1: 基于電流飽和的識別方法，見表 3。
表 3 驅(qū)動參數(shù)
表 4 識別方式的應(yīng)用場景
識別方法 2: 基 于 運 動 的 識 別 方 法。P1980=10。基于運動的方式意味著測試時，必須存在運動，所以不適用于垂直軸的識別。識別方法 3: 基于微變形的識別方法（很少使用）。P1980=20。用于無鐵芯的直線電機。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)子識別方式的應(yīng)用場景。
對于本試驗臺實際采用的 1FN3 系列直線電機，在識別方法的選擇上，只能采用 P1980=1（飽和法一次諧波識別方式）或者 10（運動法識別方式）。
表 5 飽和法驅(qū)動參數(shù)說明
表5 指出了磁極位置檢測識別方法的相關(guān)參數(shù)說明。
基于電流飽和轉(zhuǎn)子位置識別調(diào)試的流程 ( 僅針對本試驗臺使用的絕對值式光柵尺 )。
（1）粗同步
編碼器通過磁極位置識別
p404 設(shè)置，實例中的 p404 是系統(tǒng)自動識別上來。設(shè)置 p1982，對于本例中的絕對值編碼器 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別方式。
P329[0] Mot PolID current=額定電流的 10%-30%。
（3）基于運動法
P1980 PolID technique=10，10 代表選擇運動法識別方式。P329[0] Mot PolID current=額定電流的 10%-30%。
（4）精同步
P1990 Enc_adj de tang=1啟動轉(zhuǎn)子位置識別。
給伺服軸使能，驅(qū)動使能后，電機會發(fā)出 “嗡嗡” 聲。
報警號207965<location>Drive: Save required，此時換向角自動寫入 p431( 換向角偏移 )。然后保存驅(qū)動數(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)動參數(shù)，之后每次驅(qū)動上電，系統(tǒng)會直接使用 P431 內(nèi)的換向角偏移角度。
6.直線電機驅(qū)動優(yōu)化
為了讓設(shè)備的電氣性能和機械性能更加匹配，進(jìn)而獲得最佳的動態(tài)性能和控制效果，需要對驅(qū)動參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
驅(qū)動系統(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，以電流信號作為反饋，一般是霍爾傳感器完成 ; 速度環(huán)一般通過電機編碼器進(jìn)行負(fù)反饋的 PID 調(diào)節(jié)，使電機速度與設(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)動的三環(huán)控制
直線電機調(diào)試運行正常后，就應(yīng)該進(jìn)行驅(qū)動參數(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。由于本實例中使用的是西門子系列電機，電流環(huán)出廠已設(shè)置好，因此主要對速度環(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，并查看電機實際運行時的各參數(shù)，都在正常值，即可完成優(yōu)化。本實例中速度環(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.直線電機運行檢測
直線電機完成配置之后，高速防護(hù)罩試驗臺進(jìn)行耐久性試驗。在西門子系統(tǒng)界面上，跟蹤直線電機的運行電流、輸出力矩、跟隨誤差和輪廓誤差。上述數(shù)據(jù)在實際運行中都沒有較大的波動和偏離，表明數(shù)控系統(tǒng)對直線電機的控制是合適的。
三、總結(jié)
本文結(jié)合沈陽機床設(shè)計研究院新品實驗基地的高速防護(hù)罩試驗臺，分析了直線電機的結(jié)構(gòu)特點以及對比伺服電機的優(yōu)點，詳細(xì)說明了西門子數(shù)控系統(tǒng)與直線電機的接線方式以及直線電機轉(zhuǎn)子位置識別的方法，最終通過檢測直線電機在試驗臺上的實際應(yīng)用運行狀態(tài)證明了電機可以穩(wěn)定可靠的運行。
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