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數(shù)控機床高速切削技術的發(fā)展和實際應用的需要對機床的性能提出了越來越高的要求，特別是針對磨具加工的高速五軸加工中心，在保證加工精度與表面粗糙度的同時，又要實現(xiàn)高速度和高加速度的加工，所以每個軸都必須連接簡單才能做到間隙更小，響應更快。

過去所采用的伺服電動機帶動蝸桿蝸輪傳動方式的轉臺已逐漸被可直接驅動負載，省去減速傳動齒輪，從而提高系統(tǒng)的運行精度的力矩電動機式轉臺所取代。因此，數(shù)控系統(tǒng)如何控制力矩電動機平穩(wěn)的運行，保護力矩電動機和伺服驅動器的使用壽命，既能發(fā)揮力矩電動機的高速特性，又能保有力矩電動機大扭矩輸出的特點，成為一項關鍵的技術。

力矩電動機本質上是一種大力矩的三相永磁電動機。與普通永磁電動機相比，它在結構上具有以下特點：長徑比小，軸向長度短，極對數(shù)多，轉子上安排有大量永磁體以提供大轉矩。

在數(shù)控機床上所采用的力矩電動機大多數(shù)為交流力矩電動機，采用交流力矩電動機拖動負載，與采用高速的伺服電動機經(jīng)過減速裝置拖動負載相比有很多優(yōu)點，如響應快、精度高、轉矩與轉速波動小、能在低速場合下長期穩(wěn)定運行以及機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性好等。

（1）硬件設計。VMC087mu五軸加工中心，轉臺采用的是LCM生產(chǎn)的搖籃式力矩電動機轉臺，工作臺可以環(huán)繞X軸回轉，定義為A軸。工作臺的中間還設有一個回轉臺，環(huán)繞Z軸回轉，定義為C軸。A、C軸控制方式是一致的，本文以控制回轉臺的力矩電動機C軸為例來進行說明。

從C軸電動機端中引出了3根動力線，一條絕對值位置編碼器線，三組電動機溫度傳感器線。將3根動力線與西門子840Dsl驅動模塊相連，三組電動機溫度傳感器KTY1、KTY2和KTY3與溫度控制器連接，溫度傳感器阻值經(jīng)轉接盒處理后輸出一組模擬量信號KTY+與KTY-，連接到SME125的X200端口的1和2角，位置編碼器接到SME125的X100端口，最后X125的端口X500采用西門子的DRIVE-CliQ通訊線連接C軸驅動模塊的X203端口，作為數(shù)控系統(tǒng)端檢測位置與監(jiān)測溫度的信號（見圖1）。

圖1　硬件接線圖

（2）系統(tǒng)參數(shù)配置。對于西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)來說LCM力矩電動機屬于第三方電動機，因此在進行系統(tǒng)驅動配置時，電動機選擇第三方旋轉同步電動機，電動機參數(shù)按照力矩電動機說明書輸入各個數(shù)據(jù)。值得注意的是在輸入完力矩電動機電感后，進行下一步前要選擇不進行電動機數(shù)據(jù)的計算，如果選擇計算會改變已經(jīng)輸入的力矩電動機電感值，從而影響數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部計算出的力矩電動機電流環(huán)增益。

進行軸分配后，初次通電時會出現(xiàn)207414的報警號，報警內(nèi)容為編碼器序列號改變，這是接入第三方電動機全新調(diào)試所導致的，此時將驅動參數(shù)P10設置為4編碼器調(diào)節(jié)模式，再將P440設置為1進行編碼器序列號重新識別，識別完成后，報警會自動消失，重新將P10設置為0驅動就緒模式。

由于力矩電動機的溫度檢測是由SME125轉接到系統(tǒng)內(nèi)部的，因此將驅動參數(shù)P601改為10通過多個溫度通道分析SME125，將P4601改為20KTY84，告知系統(tǒng)溫度傳感器型號，系統(tǒng)會自動計算出相應的溫度值。

（3）力矩電動機轉子位置識別。對于力矩電動機來說，在使用之初需要測量出編碼器和轉子之間的相位角，這樣才能保證轉子磁場與定子的電磁場同步。如果這個角度未測或者角度設定不準確，會導致電動機運行時電流過大。

西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)識別力矩電動機轉子使用基于飽和法的兩種不同識別方式，即飽和法1次+2次諧波、飽和法1次諧波。由于電動機轉子定子所決定的磁極位置飽和曲線R1985和磁極位置觸發(fā)特性R1987的相對位置不變。所以必須根據(jù)磁極位置飽和曲線和磁極位置觸發(fā)特性的相對位置來選擇識別方式。

識別開始前，使用工具StartUp-Tool追蹤磁極位置飽和曲線R1985和磁極位置觸發(fā)特性R1987的圖形，在兩次磁極位置觸發(fā)過程中磁極位置飽和曲線有兩次波動時（見圖2）,即采用飽和法1次+2次諧波的方法，在兩次磁極位置觸發(fā)過程中磁極位置飽和曲線有一次波動時（見圖3），即采用飽和法1次諧波的方法。根據(jù)測試出的不同曲線在P1980內(nèi)選擇相應的識別方式進行識別。

圖2　采用飽和法1次+2次諧波的波形

圖3　采用飽和法1次諧波的波形

確定識別方法后進行轉子識別，設置識別時的驅動參數(shù)，在P235、P239內(nèi)設置識別時的電流，此電流值應為力矩電動機額定電流的20%~40%，在P1981根據(jù)實際情況設置測試轉子位置識別時電動機移動的最大距離。確認P1980設置適合的識別方式，將P1990設置為1，轉子位置識別開始。識別結束P1990自動變?yōu)?，P431內(nèi)會顯示出識別后換向角偏移的位置。

識別結束后進行角度測試，將參數(shù)P1983設置為1，查看參數(shù)R1984內(nèi)的數(shù)值，如果小于10度，則轉子識別正確。保存驅動參數(shù)，每次驅動通電，系統(tǒng)直接使用P431內(nèi)換向角的偏移角度。

（4）優(yōu)化力矩電動機。因為力矩電動機對于西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)來說屬于第三方電動機，所以要進行優(yōu)化得出合適的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的增益數(shù)據(jù)。首先進行電流環(huán)增益的優(yōu)化，設置P1910為1進行靜態(tài)電動機參數(shù)識別，得出合適的電流環(huán)增益。然后進行數(shù)控系統(tǒng)自帶的自動優(yōu)化功能，選擇符合機床的優(yōu)化策略，進行電動機優(yōu)化，得出合適的速度環(huán)與位置環(huán)增益。

（5）力矩電動機運行檢測。力矩電動機配置完成后，運行力矩電動機，使用工具StartUp-Tool追蹤力矩電動機的電流、力矩輸出、輪廓誤差以及跟隨誤差（見圖4），如果這四個數(shù)據(jù)沒有較大的波動，表明數(shù)控系統(tǒng)對力矩電動機控制合適。