西门子840Dsl针对力矩电动机控制技术的应用-西门子力矩电机维修

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数控机床高速切削技术的发展和实际应用的需要对机床的性能提出了越来越高的要求，特别是针对磨具加工的高速五轴加工中心，在保证加工精度与表面粗糙度的同时，又要实现高速度和高加速度的加工，所以每个轴都必须连接简单才能做到间隙更小，响应更快。

过去所采用的伺服电动机带动蜗杆蜗轮传动方式的转台已逐渐被可直接驱动负载，省去减速传动齿轮，从而提高系统的运行精度的力矩电动机式转台所取代。因此，数控系统如何控制力矩电动机平稳的运行，保护力矩电动机和伺服驱动器的使用寿命，既能发挥力矩电动机的高速特性，又能保有力矩电动机大扭矩输出的特点，成为一项关键的技术。

力矩电动机本质上是一种大力矩的三相永磁电动机。与普通永磁电动机相比，它在结构上具有以下特点：长径比小，轴向长度短，极对数多，转子上安排有大量永磁体以提供大转矩。

在数控机床上所采用的力矩电动机大多数为交流力矩电动机，采用交流力矩电动机拖动负载，与采用高速的伺服电动机经过减速装置拖动负载相比有很多优点，如响应快、精度高、转矩与转速波动小、能在低速场合下长期稳定运行以及机械特性和调节特性的线性好等。

（1）硬件设计。VMC087mu五轴加工中心，转台采用的是LCM生产的摇篮式力矩电动机转台，工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴。工作台的中间还设有一个回转台，环绕Z轴回转，定义为C轴。A、C轴控制方式是一致的，本文以控制回转台的力矩电动机C轴为例来进行说明。

从C轴电动机端中引出了3根动力线，一条绝对值位置编码器线，三组电动机温度传感器线。将3根动力线与西门子840Dsl驱动模块相连，三组电动机温度传感器KTY1、KTY2和KTY3与温度控制器连接，温度传感器阻值经转接盒处理后输出一组模拟量信号KTY+与KTY-，连接到SME125的X200端口的1和2角，位置编码器接到SME125的X100端口，最后X125的端口X500采用西门子的DRIVE-CliQ通讯线连接C轴驱动模块的X203端口，作为数控系统端检测位置与监测温度的信号（见图1）。

图1　硬件接线图

（2）系统参数配置。对于西门子840Dsl数控系统来说LCM力矩电动机属于第三方电动机，因此在进行系统驱动配置时，电动机选择第三方旋转同步电动机，电动机参数按照力矩电动机说明书输入各个数据。值得注意的是在输入完力矩电动机电感后，进行下一步前要选择不进行电动机数据的计算，如果选择计算会改变已经输入的力矩电动机电感值，从而影响数控系统内部计算出的力矩电动机电流环增益。

进行轴分配后，初次通电时会出现207414的报警号，报警内容为编码器序列号改变，这是接入第三方电动机全新调试所导致的，此时将驱动参数P10设置为4编码器调节模式，再将P440设置为1进行编码器序列号重新识别，识别完成后，报警会自动消失，重新将P10设置为0驱动就绪模式。

由于力矩电动机的温度检测是由SME125转接到系统内部的，因此将驱动参数P601改为10通过多个温度通道分析SME125，将P4601改为20KTY84，告知系统温度传感器型号，系统会自动计算出相应的温度值。

（3）力矩电动机转子位置识别。对于力矩电动机来说，在使用之初需要测量出编码器和转子之间的相位角，这样才能保证转子磁场与定子的电磁场同步。如果这个角度未测或者角度设定不准确，会导致电动机运行时电流过大。

西门子840Dsl数控系统识别力矩电动机转子使用基于饱和法的两种不同识别方式，即饱和法1次+2次谐波、饱和法1次谐波。由于电动机转子定子所决定的磁极位置饱和曲线R1985和磁极位置触发特性R1987的相对位置不变。所以必须根据磁极位置饱和曲线和磁极位置触发特性的相对位置来选择识别方式。

识别开始前，使用工具StartUp-Tool追踪磁极位置饱和曲线R1985和磁极位置触发特性R1987的图形，在两次磁极位置触发过程中磁极位置饱和曲线有两次波动时（见图2）,即采用饱和法1次+2次谐波的方法，在两次磁极位置触发过程中磁极位置饱和曲线有一次波动时（见图3），即采用饱和法1次谐波的方法。根据测试出的不同曲线在P1980内选择相应的识别方式进行识别。

图2　采用饱和法1次+2次谐波的波形

图3　采用饱和法1次谐波的波形

确定识别方法后进行转子识别，设置识别时的驱动参数，在P235、P239内设置识别时的电流，此电流值应为力矩电动机额定电流的20%~40%，在P1981根据实际情况设置测试转子位置识别时电动机移动的最大距离。确认P1980设置适合的识别方式，将P1990设置为1，转子位置识别开始。识别结束P1990自动变为0，P431内会显示出识别后换向角偏移的位置。

识别结束后进行角度测试，将参数P1983设置为1，查看参数R1984内的数值，如果小于10度，则转子识别正确。保存驱动参数，每次驱动通电，系统直接使用P431内换向角的偏移角度。

（4）优化力矩电动机。因为力矩电动机对于西门子840Dsl数控系统来说属于第三方电动机，所以要进行优化得出合适的电流环、速度环和位置环的增益数据。首先进行电流环增益的优化，设置P1910为1进行静态电动机参数识别，得出合适的电流环增益。然后进行数控系统自带的自动优化功能，选择符合机床的优化策略，进行电动机优化，得出合适的速度环与位置环增益。

（5）力矩电动机运行检测。力矩电动机配置完成后，运行力矩电动机，使用工具StartUp-Tool追踪力矩电动机的电流、力矩输出、轮廓误差以及跟随误差（见图4），如果这四个数据没有较大的波动，表明数控系统对力矩电动机控制合适。