直线电机在iTNC530HSCI中的应用

2014-07-08张诗杰班帅李焱于文东

机械工程师 2014年9期

张诗杰，班帅，李焱，于文东

(沈阳机床(集团)有限责任公司设计研究院，沈阳 110142)

0 引言

本文以某机床的X 轴为例介绍直线电机在海德汉数控系统iTNC 530 HSCI 中的应用。传统的数控机床进给系统主要是通过“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的方式，将旋转运动转化为直线运动。这种进给系统涉及的中间环节多，如联轴节、丝杠、螺母、轴承等，不仅加大了系统的转动惯量，影响系统动态特性，而且会产生摩擦、弹性变形、滞后和许多非线性误差，因此其线性速度、加速度及定位精度均有限，不能满足高速精密加工的需求。而采用直线电机直接驱动实现进给的方式，取消了动力源和工作台之间所有的中间传动环节，把进给传动链的长度缩短为零，即所谓的“直接驱动”或“零传动”。直线电机在精密加工的数控机床中应用的越来越广泛［1］。

1 系统的硬件配置及电气原理

1.1 系统的硬件配置

1）数控系统采用的是iTNC 530 HSCI，可以控制高达18 个轴和主轴，全数字化HSCI 接口和EnDat 接口，支持海德汉对话编程格式语言，smarT.NC 操作模式和ISO 格式，能实现五轴加工刀具的精确控制。采用的的硬件为主计算机MC6222 和控制计算机CC6110。

2）该机床的X 轴采用LMP28-200-3WDN-EH2 直线电机，该直线电机极对数28，冷却方式为水冷，可以有效地带出直线电机因铜损和铁损等产生的热量。防止电机温度过高。温度保护采用专用的温度保护模块IMTHP212-111C-000 监测电机的温度，输出温度报警信号和温度过高2 个信号给PLC，通过PLC 程序保证电机的安全使用。

3）光栅尺采用的是LC483ML920±5 μm 的绝对光栅尺，测量精度为±5 μm，分辨率为0.01μm。

4）驱动模块采用海德汉数控系统专用的驱动模块UM114D。

1.2 电气原理框图

系统的电气原理框图如图1 所示，直线电机的位置检测通过光栅尺来实现，在电气连线上PWM 接口和位置反馈接口位置应该相互对应，不能随意连接。如图2 中黑色部分所示，它们之间的位置对应关系是固定的。

图1 直线电机控制系统电气原理框图

图2 CC6110 PWM 接口和反馈接口

2 直线电机主要参数的配置

直线电机的运动控制要得到良好的运动特性，必须设定与其相匹配的参数。在海德汉数控系统中的参数称之为MP参数。主要需要定义如下参数。

2.1 基本参数的配置

MP 10：%000000000000000001；定义有效的轴

MP 100.0：-----------------X；定义轴的名称

CC6110 的控制板为2 块,这2 个控制板通过HSCI总线串联在一起,参数MP108 是分配直线电机的光栅尺反馈接口和PWM 速度给定在CC6110 的哪一个控制主板上，主板地址取决于控制主板在HSCI 总线中的位置，总线中第1 块控制主板的地址为0，第2 块控制主板地址为1。这里的光栅尺反馈和PWM 给定连接在第2 块控制板上，参数填写“1”。

MP 108.0：1；伺服轴在那个基板上

MP 110.0：0；位置编码器接口

MP 112.0：15；速度编码器接口

MP 120.0：51；PWM 给定值接口

MP331/MP332 的商确定电机的传动比

MP 331.0：0.02000；信号距离

MP 332.0：1.00000；信号个数

MP 1054.0：44 极距

MP 1350.0：5；回参考点类型为Endat 接口的编码器

MP 2100.0：HEIDENHAIN-UM114D；电机模块型号

MP 2200.0：Etel-LMP28-200-3WDN-W-V4.0；电机型号

2.2 直线电机的倍速控制

根据实际应用的需求，可以增强一个机床轴控制器的计算能力，这样可以有效地提高工件的表面质量和直线电机的运动特性。这需要使用iTNC 530 HSCI 的倍速控制功能。为实现系统的倍速控制需要海德汉软件选项49 的支持。需要注意的是倍速控制2 个控制环必须在1个DSP 控制板上。MP2000 的参数为1 即为选通该轴的倍速控制。

MP 2000.0：1；电机的倍速控制。

3 转子定向

3.1 转子定向的必要性

直线电机在运行之前，要知道电机精确的初始位置，在永磁伺服控制系统中，直线电机动子（转子）初始位置检测与定位是系统构成与运行的基本条件，也是矢量控制解耦的必要条件，只有准确知道直线电机动子的位置，才可以按照矢量控制的算法，将直线电机等效变换成dq坐标系上的等效模型，就是使d 轴励磁分量和q 轴出力分量解耦。令直线电机定子永磁场和转子电磁场始终正交，从而获得最佳的出力效果。因此在直线电机运动前有必要识别转子位置。

3.2 在iTNC 530 HSCI 中的转子定向

直线电机在运动前必须确定磁场角，iTNC 530 HSCI用转子定向功能确定转子的磁场角。在执行转子定向功能前，直线电机的电流环必须调整好，要有良好的动态特性和稳态特性，通过海德汉提供的优化软件TNCopt 来实现。当速度编码器改变或重新安装时，转子定向必须重做。电流环优化好后，就可以作直线电机的转子识别。

直线电机的的转子识别主要通过2 个参数来实现，即MP2254 和MP2256。

MP2254 为确定磁场角的方式，主要有两种方式：确定磁场角时电机动；确定磁场角时电机不动。MP2256 为iTNC 确定的磁场角，由iTNC 自动填入。电机不动可以有效地保证机械结构的安全，并且适合直线电机的龙门机床的转子定向。该机床的直线电机的识别就采用识别时电机不动的这种方式。

设定参数MP2250.0 为0，MP2256 为0。iTNC 根据MP2250.0 的参数设定在系统上电后自动运行转子识别功能，这个过程大约持续4~6 s，iTNC 530 HSCI 界面将显示Finding field angle 信息来表示机床正在作转子定向，PLC 在这段时间内一定不能取消驱动的使能。转子定向成功后，转子定向角被iTNC 自动填写在MP2256 中。系统再开机上电后因为采用的是绝对光栅尺，系统的位置被立即读出来，转子定向角从MP2256 中就读出，电机即可运行。