直線電機在iTNC530HSCI中的應用

張詩杰，班帥，李焱，于文東

(沈陽機床(集團)有限責任公司 設計研究院，沈陽 110142)

0 引 言

本文以某機床的X 軸為例介紹直線電機在海德漢數控系統iTNC 530 HSCI 中的應用。傳統的數控機床進給系統主要是通過“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”的方式，將旋轉運動轉化為直線運動。這種進給系統涉及的中間環節多，如聯軸節、絲杠、螺母、軸承等，不僅加大了系統的轉動慣量，影響系統動態特性，而且會產生摩擦、彈性變形、滯后和許多非線性誤差，因此其線性速度、加速度及定位精度均有限，不能滿足高速精密加工的需求。而采用直線電機直接驅動實現進給的方式，取消了動力源和工作臺之間所有的中間傳動環節，把進給傳動鏈的長度縮短為零，即所謂的“直接驅動”或“零傳動”。直線電機在精密加工的數控機床中應用的越來越廣泛［1］。

1 系統的硬件配置及電氣原理

1.1 系統的硬件配置

1）數控系統采用的是iTNC 530 HSCI，可以控制高達18 個軸和主軸，全數字化HSCI 接口和EnDat 接口，支持海德漢對話編程格式語言，smarT.NC 操作模式和ISO 格式，能實現五軸加工刀具的精確控制。采用的的硬件為主計算機MC6222 和控制計算機CC6110。

2）該機床的X 軸采用LMP28-200-3WDN-EH2 直線電機，該直線電機極對數28，冷卻方式為水冷，可以有效地帶出直線電機因銅損和鐵損等產生的熱量。防止電機溫度過高。溫度保護采用專用的溫度保護模塊IMTHP212-111C-000 監測電機的溫度，輸出溫度報警信號和溫度過高2 個信號給PLC，通過PLC 程序保證電機的安全使用。

3）光柵尺采用的是LC483ML920±5 μm 的絕對光柵尺，測量精度為±5 μm，分辨率為0.01μm。

4）驅動模塊采用海德漢數控系統專用的驅動模塊UM114D。

1.2 電氣原理框圖

系統的電氣原理框圖如圖1 所示，直線電機的位置檢測通過光柵尺來實現，在電氣連線上PWM 接口和位置反饋接口位置應該相互對應，不能隨意連接。如圖2 中黑色部分所示，它們之間的位置對應關系是固定的。

圖1 直線電機控制系統電氣原理框圖

圖2 CC6110 PWM 接口和反饋接口

2 直線電機主要參數的配置

直線電機的運動控制要得到良好的運動特性，必須設定與其相匹配的參數。在海德漢數控系統中的參數稱之為MP參數。主要需要定義如下參數。

2.1 基本參數的配置

MP 10：%000000000000000001； 定義有效的軸

MP 100.0：-----------------X；定義軸的名稱

CC6110 的控制板為2 塊,這2 個控制板通過HSCI總線串聯在一起,參數MP108 是分配直線電機的光柵尺反饋接口和PWM 速度給定在CC6110 的哪一個控制主板上，主板地址取決于控制主板在HSCI 總線中的位置，總線中第1 塊控制主板的地址為0，第2 塊控制主板地址為1。這里的光柵尺反饋和PWM 給定連接在第2 塊控制板上，參數填寫“1”。

MP 108.0：1；伺服軸在那個基板上

MP 110.0：0；位置編碼器接口

MP 112.0：15；速度編碼器接口

MP 120.0：51；PWM 給定值接口

MP331/MP332 的商確定電機的傳動比

MP 331.0：0.02000；信號距離

MP 332.0：1.00000；信號個數

MP 1054.0：44 極距

MP 1350.0：5；回參考點類型為Endat 接口的編碼器

MP 2100.0：HEIDENHAIN-UM114D；電機模塊型號

MP 2200.0：Etel-LMP28-200-3WDN-W-V4.0；電機型號

2.2 直線電機的倍速控制

根據實際應用的需求，可以增強一個機床軸控制器的計算能力，這樣可以有效地提高工件的表面質量和直線電機的運動特性。這需要使用iTNC 530 HSCI 的倍速控制功能。為實現系統的倍速控制需要海德漢軟件選項49 的支持。需要注意的是倍速控制2 個控制環必須在1個DSP 控制板上。MP2000 的參數為1 即為選通該軸的倍速控制。

MP 2000.0：1；電機的倍速控制。

3 轉子定向

3.1 轉子定向的必要性

直線電機在運行之前，要知道電機精確的初始位置，在永磁伺服控制系統中，直線電機動子（轉子）初始位置檢測與定位是系統構成與運行的基本條件，也是矢量控制解耦的必要條件，只有準確知道直線電機動子的位置，才可以按照矢量控制的算法，將直線電機等效變換成dq坐標系上的等效模型，就是使d 軸勵磁分量和q 軸出力分量解耦。令直線電機定子永磁場和轉子電磁場始終正交，從而獲得最佳的出力效果。因此在直線電機運動前有必要識別轉子位置。

3.2 在iTNC 530 HSCI 中的轉子定向

直線電機在運動前必須確定磁場角，iTNC 530 HSCI用轉子定向功能確定轉子的磁場角。在執行轉子定向功能前，直線電機的電流環必須調整好，要有良好的動態特性和穩態特性，通過海德漢提供的優化軟件TNCopt 來實現。當速度編碼器改變或重新安裝時，轉子定向必須重做。電流環優化好后，就可以作直線電機的轉子識別。

直線電機的的轉子識別主要通過2 個參數來實現，即MP2254 和MP2256。

MP2254 為確定磁場角的方式，主要有兩種方式：確定磁場角時電機動；確定磁場角時電機不動。MP2256 為iTNC 確定的磁場角，由iTNC 自動填入。電機不動可以有效地保證機械結構的安全，并且適合直線電機的龍門機床的轉子定向。該機床的直線電機的識別就采用識別時電機不動的這種方式。

設定參數MP2250.0 為0，MP2256 為0。iTNC 根據MP2250.0 的參數設定在系統上電后自動運行轉子識別功能，這個過程大約持續4~6 s，iTNC 530 HSCI 界面將顯示Finding field angle 信息來表示機床正在作轉子定向，PLC 在這段時間內一定不能取消驅動的使能。轉子定向成功后，轉子定向角被iTNC 自動填寫在MP2256 中。系統再開機上電后因為采用的是絕對光柵尺，系統的位置被立即讀出來，轉子定向角從MP2256 中就讀出，電機即可運行。

4 結 語

直線電機可直接驅動機床坐標軸，具有出力連續運動特性好等特點，在精密加工中應用的越來越廣泛。本文主要介紹了直線機的參數配置和在電機不動時的轉子定向。直線電機在完成以上工作后要想得到較好的動態特性和靜態特性還應該對其進行伺服參數的優化，達到機床加工工藝要求才可。

［1］ 文湘隆.直線電機及其在高速精密機床上的應用［J］.機械研究與應用，2005，18（4）：19－20.

［2］ Technical Manual iTNC 530 HSCI［M］.Heidenhain，2011.