直線電機在高速防護罩試驗台應用（yòng）研究-機床電器網-數控機床市場（chǎng）網

您現在的位置：機（jī）床電器網> 技術前沿> 直線電機在高速防（fáng）護罩試（shì）驗台應用研究

直線電機（jī）在高速防護罩試驗台應用研究

2022-3-1 來源：沈陽機床（集團）有限責任公司作者：趙鑫

數控機床高速切削技術（shù）的發展和（hé）生產製（zhì）造應用中的實（shí）際需（xū）求，都對機（jī）床的性能（néng）提出了越來越高的要求。作為數控機床中的重（chóng）要部（bù）件，防護罩的速度性能受到越來越多的重視。由沈（shěn）陽機床鈑焊事業部新出（chū）品的鋼板式新型高速防護（hù）拉罩的速度可以達到 60m/min，加（jiā）速度也提高到舊產品的數倍。

為了（le）針對（duì）此款新型鋼板式高速（sù）防（fáng）護拉罩進行長時間耐久性試驗，沈陽機床設計研究院新品實驗基地設計了高速防護罩測試試驗台（tái），對其進行測試。考慮到測試目的是為了檢驗防護罩的高速度和高加速度性能，在對比（bǐ）了傳統旋轉電機和直線電機的特點之後（hòu），選擇了使用直線電機作為測試防護罩的試驗電機。

一、直線電機的特點

直線電機可以作是將一台旋轉電機徑向剖開，然後將電機的圓周（zhōu）展成直線。與傳統交流電動機相比，直線電機直接產生直線運動（dòng），而不是像傳統的旋轉電機，要（yào）用滾動絲杠進行傳動的形式（shì），如圖 1 所示。

圖 1 由旋轉電機演變為（wéi）直線（xiàn）電機的過程

直線電機的傳動力是（shì）在氣隙中產生的，線性模組除了直線電機導軌外，沒有其（qí）他任（rèn）何的摩擦。其運行的行程在理論上是不受限製的，而（ér）且其性能不會因（yīn）為行程大小改變而受到影響。

直線電機結構（gòu）簡單，體（tǐ）積小巧，通過最少的零部件數量實現要完成的（de）直線驅動，其運轉可以提供很（hěn）寬的轉速運（yùn）行範圍，特別是在高速狀態下運行是（shì）一個突出的優點。

直線電機可以（yǐ）提供很大的加速度，最大可達到 10g，同時可以做到運行平穩，這（zhè）是因為除了起支撐作（zuò）用的直線導軌和（hé）氣浮軸承外（wài），伺服電動缸沒（méi）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複定位精度，因（yīn）為其消除了影響精度的中間環節（jiē），係統的精度（dù）取決於（yú）位置檢測元件，有合適的反饋檢（jiǎn）測裝置可達到微（wēi）米（mǐ）級。

在維（wéi）護保養方麵，由於直線電機的（de）部件少，運（yùn）動時無機械接觸（chù），大（dà）大降低了部（bù）件（jiàn）間的（de）磨損，隻需很少維護甚至可以無需維護，壽命較（jiào）長（zhǎng）。但是直線電機也有耗電量（liàng）較大，發熱量較大而且不利於散（sàn）熱的一些相對劣勢的地方，這些也需要引起設計工程師的注意。

二、基於西門子數控係統的（de）直線電機應用研究

1.硬（yìng）件設計（jì）

高速防護罩試驗台配有西門子 1FN3 係列的直（zhí）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（guāng）柵（shān）尺。動力（lì）線直接與（yǔ）西門子 840Dsl 的驅動模塊（kuài）連（lián）接。溫度信號線連接編碼器模塊 SME125 的X200 端（duān）口，編碼器信（xìn）號線（xiàn）電纜連接至 SME125模塊的 X100 端口，最後（hòu） SME125 的 X500 接口通過 DRIVE.-CLiQ 線與驅動模塊的 X202 連接，如圖 2 所示。

圖 2 直線電機硬件連接

2.直線電（diàn）機首次通電和驅動（dòng）的配置

直線電機第一次通電前，在給使能之前，務必（bì）限製 p640 為（wéi）缺省值的十分之一或（huò）者更小 ; 電機正常運行後再恢複 p640。另外，降低電機溫度報警閾值 p604、p605，也對保護直線電機起正向的作用。

試驗台采用的直線電機為西門子公司製造的1FN3600-3WC00 係（xì）列直線電機，該（gāi）電機可以通過西門子係統自動讀入電（diàn）機的相關參數。

3.關於編碼器極（jí）性的校正和配置

對於（yú）直線電機，需（xū）要校正編碼器（qì）極性。首先確認驅動的正方向，再校正編碼器計數正（zhèng）方向。直線電機初級移動時，初級朝與出（chū）線（xiàn）方向相反的方向為驅動正方向，如圖 3 所示。

圖 3 驅動正方（fāng）向

確定編碼器計數正方向，讀數頭遠離（lí）銘牌的方向為編碼器計數的正方（fāng）向，如圖 4 所示。轉子的位置信息一般（bān）可以由電機編碼器提供，但由於直線電機本身沒有編碼器，需要通過外（wài）置的編碼器獲取位置，本試驗台中使用海（hǎi）德漢光柵尺絕對（duì）式編碼器 LC183。

圖 4 編碼器計數器（qì）的正方向

按驅動正方向推動初級（jí）部件，若測量係統計數值增加，則不需要反極性，如果（guǒ）計數值減少，則需要（yào）設置驅動參數 p410[0] Encoderinvertion actual value =H3。

實際采用的海德漢直線光柵尺 LC183c，柵距 0.02mm。係統配置後（hòu）會自動讀入默認值，僅需檢查驅動參數 p404、p407。

4.直（zhí）線電機的溫度評估

正確連接被係統識別後，係統（tǒng）會自動讀入默認值，僅需檢查，見表 1。

表 1 驅動（dòng）參數（shù）

當溫度（dù）顯示值不等於 -200℃時，該溫度顯示有效（已（yǐ）經連接了一個 KTY84/PT1000 溫度傳感器）; 當溫度顯示值等（děng）於 -200℃時，該溫度顯示無效（溫度傳感器故障，或已連（lián）接了一（yī）個PTC 傳感器）。

試驗台（tái）實際采（cǎi）用的是 SME125 編碼器模塊，連接一組 KTY84 溫度傳感器（qì）。應正確設置下列溫度傳感器參數。本實例中相關（guān）參（cān）數和設定值見表（biǎo） 2。

表 2 驅動參（cān）數

5.直線電機轉（zhuǎn）子位置的識別

由於直線電（diàn）機工作原理，決定了驅動必須知道電機轉子的位置（zhì），測量出電機轉子和編碼器之間的相位角，再通（tōng）以合適相位的（de）電流才能保（bǎo）證電機的最佳特（tè）性。如果這個角（jiǎo）度未測量或者角度設定不準確，就會（huì）導（dǎo）致電機運行時電流過大。

驅動識別轉子位置（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（háng）狀態可以達（dá）到最佳。識別方法 1: 基於電流飽和（hé）的識別方（fāng）法（fǎ），見表 3。

表 3 驅動參數

表 4 識別方式的應用場景

識別方法 2: 基於（yú）運動的（de）識別方法。P1980=10。基於運動的方式意味著測（cè）試時，必須存在運動，所以不適用（yòng）於垂直軸的識別。識別方法 3: 基於（yú）微變形的識別方法（很少使用）。P1980=20。用於無鐵芯的直（zhí）線電機。使（shǐ）用微變形方法必須滿足前提條件 : 必須（xū）有抱閘。

表4 給出了不同轉子識別（bié）方式（shì）的（de）應用場景。

對（duì）於本（běn）試驗（yàn）台實際采用的 1FN3 係列直線電（diàn）機，在識別方法的選（xuǎn）擇上，隻能采用 P1980=1（飽和法一次諧波識別方式（shì））或者 10（運動法識別方式）。

表 5 飽和法驅動參數說（shuō）明（míng）

表5 指出了磁極位置檢測識別方（fāng）法的相關參數說明。

基於電流飽（bǎo）和轉子位（wèi）置識別調試的流程 ( 僅（jǐn）針對本試驗（yàn）台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 設置，實（shí）例中的 p404 是係統自動識別上來。設置 p1982，對於本（běn）例中的（de）絕對值編碼器 p1982=2。

（2）基於電流飽和法

P1980 PolID technique=1，1 代表（biǎo）選（xuǎn）擇（zé）飽和法一次諧波識別方式（shì）。

P329[0] Mot PolID current=額定電（diàn）流的 10%-30%。

（3）基於運動法

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啟動轉子位置識別。

給伺服軸使（shǐ）能，驅動使能後，電機會發出 “嗡嗡” 聲。

報警（jǐng）號207965<locations>Drive: Save required，此時換向角自動寫入 p431( 換向角（jiǎo）偏移 )。然後保存（cún）驅動數據。

檢查 r1992=H1F80 bit7=1bit8=1 bit9=1 bit10=1，見表 6。

表 6 r1992 參數表

（5）檢查換向角

設置 p1983 PolID test = 1 啟動磁極位（wèi）置檢測測試。

檢查 r1984 PolID ang diff<10 數值（zhí）應該小於 10。

完成上述調試過（guò）程後，保存驅動參數，之後每次驅動上電，係（xì）統會直接使用 P431 內的換向角偏移角度。

6.直線電機驅動優化

為了（le）讓設（shè）備的電氣性能和機械（xiè）性能更（gèng）加匹配，進而獲得最佳的動態性能和控（kòng）製效果，需要對驅動參數進行優化。

驅動係統進行優化主要是三環控製（zhì）的優化，也就是電流環、速（sù）度環、位置環。電（diàn）流環是控製的根本（běn），完全在（zài）控製器（qì）內部進行，以電流信號作為反饋，一般是霍爾傳（chuán）感器完成 ; 速度環一般通過（guò）電機編碼器進行負反饋的 PID 調節（jiē），使（shǐ）電機速度與設定速度保持一致 ; 位置環是最外側的一（yī）環，也是（shì）最終要控製的一環，使用位置傳感器進行反饋。三環控製過程如圖 5 所示。

圖 5 伺服驅動的三環控製

直線電機調試運行正常後，就應該進行驅動參數優化的過（guò）程。利用西門子數控係統提供的自動伺服優化（AST），可以（yǐ）製定自定義優化策略和方案。由於本實例中使用的是（shì）西門子係列電機（jī），電（diàn）流環出廠已設置好（hǎo），因此主要對速度環、位置環進行優化，優化的思路和原則是調（diào）增益和（hé）時間數。優化後，觀察速度環和位置環的幅頻測試曲線，並（bìng）查看電機（jī）實際運行時的各參數，都在正常值，即可完成優化。本實例中速度環的增益 P1460 優化後的數值（zhí）比較大 , 值為 101795.516，位置環增益 32200 為（wéi）3.99999992。

7.直線電機運行檢測

直線電機完成配置之後，高速防護罩試驗台進行耐久性試驗。在西門子係統界麵（miàn）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（shù）數據在實際運行中都沒有較大的波動和偏離，表（biǎo）明數控係統對直線電機的控製是合適的。

三（sān）、總結

本文（wén）結合沈陽機（jī）床設計研究院新品實驗基地的高速防護罩（zhào）試驗台（tái），分析了直線電機的結構特點以及對比伺服電機的優點，詳細說明了西門子數控係統與（yǔ）直線電機的接線方式以（yǐ）及直線電機（jī）轉子位置識別的方法，最終通過（guò）檢測（cè）直線電機在試驗台上的實際應用運行狀態證明了電機可以穩定可靠的運行。

投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表（biǎo），或進行資訊合作，歡迎聯（lián）係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關（guān）信息

名企推薦

業界視點

| 更多

行業數據（jù）

| 更多

博文選（xuǎn）萃

| 更多