直流電動機主從控制在重型臥式車床的應用

關百軍 張秀印

(沈陽機床(集團)有限責任公司，遼寧 沈陽 110142)

在數控機床中，主軸傳動系統(tǒng)是機床最核心的關鍵部件之一，其輸出性能對數控機床的整體水平是至關重要的。機床要求主軸在很寬的范圍內速度連續(xù)可調，并在各種速度下提供足夠的切削功率。

在重型數控機床的生產制造中，當驅動一個大工作機構時，在僅僅依靠一臺電動機不能產生足夠的扭矩，這時就需要利用多電動機拖動系統(tǒng)來實現工作機構的運動。在機械結構上，各電動機可以同軸聯接或通過傳動機構聯接起來，共同帶動工作機構。在電氣控制中，應用主從控制功能，也可以稱作速度/扭矩耦合功能。對電動機進行優(yōu)化調整，保證在主從控制中，電動機輸出的速度一致，扭矩一致，實現各電動機間的速度和扭矩最優(yōu)化運行。

1 機床主軸傳動結構

HTC250800super 重型臥式數控車床在開發(fā)研制中，最關鍵的部件是機床主軸傳動系統(tǒng)，采用雙電動機傳動結構。在電動機選型時，根據直流電動機的機械特性，非常適合大型機床的機械傳動，因此決定采用兩臺他勵直流電動機驅動主軸傳動機構見圖1。

2 主從控制中電動機機械特性的合成

兩臺他勵直流電動機各自的機械特性相同(特性1)，軸上輸出的合成特性(特性2)，其轉矩相當于同一轉速下特性1 轉矩的2倍。這樣，總的負載轉矩MZ由兩臺電動機平均分擔，每臺電動機承擔0.5MZ。由圖可見，合成特性比每臺電動機的機械特性要硬一些，見圖2。

3 電氣控制方案的確定

(1)機床控制系統(tǒng)采用西門子840D。

(2)主軸傳動的雙電動機采用兩臺80 kW 直流電動機，驅動系統(tǒng)采用西門子6RA70 系列調速裝置。

(3)速度給定值通過西門子的ANA 模塊輸出到主動驅動系統(tǒng)。

(4)主動驅動系統(tǒng)通過peer -to -peer link，信號以完全數字的形式傳送到從動驅動系統(tǒng)，實現兩臺電動機的主從控制。

表1

(5)直流主電動機的速度反饋采用脈沖編碼器，保證反饋信號的精確度。

4 主從控制電氣系統(tǒng)框圖

主從控制電氣系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

5 電氣控制調試中需要解決的關鍵問題

(1)實現兩臺直流主電動機最優(yōu)化運行，保證在主從控制中，兩臺主電動機輸出的速度一致，扭矩一致。在一般情況下，即使型號相同的兩臺電動機，機械特性也不一定完全相同。因此要通過驅動參數的正確設定調整，使負載在兩臺電動機間平均分配，保證每臺電動機能得到充分利用。

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(2)在主從控制中，應考慮主傳動雙電動機驅動時單臺電機產生的“失 速”保護問題。在主從控制中，從動驅動裝置的控制指令是由主動驅動裝置發(fā)出的。但是，如果在加工中，從動電動機的聯軸節(jié)與主軸傳動裝置突然脫開，由于從動電動機的扭矩突然減小，會使轉速急劇上升，處于失速狀態(tài)，直至電動機損壞。

6 主從電動機執(zhí)行優(yōu)化步驟

在主從方式中，主動軸工作在速度環(huán)狀態(tài)，產生扭矩設定值，通過peer -to -peer 傳遞到從動軸。這時，從動裝置的端子34、37、38 要短接在一起，使得主從電動機的起停操作同時進行。此時，從動裝置的斜坡函數發(fā)生器和速度調節(jié)器不處于激活狀態(tài)。

(1)主動裝置的優(yōu)化運行

①在從動裝置上設定P171=0，P172=0

②執(zhí)行P051=25 優(yōu)化

③執(zhí)行P051=26 優(yōu)化，必要時，進行手動優(yōu)化，使輸出轉速平穩(wěn)

④執(zhí)行P051=27 優(yōu)化

⑤在從動裝置上恢復P171、P172 的值

(2)從動裝置的優(yōu)化運行

①在主動裝置上設定P171=0，P172=0

②執(zhí)行P051=25 優(yōu)化

③執(zhí)行P051=27 優(yōu)化

④在主動裝置上恢復P171、P172 的值

(3)把電動機與減速機連接以后，設置P051=26優(yōu)化運行，調整轉速達到平穩(wěn)。

(4)失速保護的實現:在主從控制過程中，主動裝置設置為速度控制方式，從動裝置設置為轉矩控制方式。將把主動裝置的速度和轉矩通過peer -to-peer 傳送到從動裝置，作為轉矩限幅，使得從動裝置和主動裝置的輸出轉矩相等。如果突然電動機連接軸脫開，從動電動機的速度由參數P401 和P402的設定值限制，只能增加5%，此時由于從動裝置的速度環(huán)退出飽和狀態(tài)而按照大于主動裝置速度給定的5%運行，不致于超速飛車，實現了電動機失速保護的目的。

(5)參數設置:見表1。

7 結語

本文結合HTC250800super 重型臥式數控車床中電氣控制實例，詳細分析了雙直流電動機主從控制原理在實際生產中的應用，并充分考慮到電動機的失速保護，合理地、最大化地發(fā)揮出數控系統(tǒng)的功能。不但提高了數控機床的機械特性，而且保證了數控機床加工能力的高精度和高效率。

［1］易繼鍇，江祥賢，侯嬡彬，等.電氣傳動自動控制原理與 設計［M］.北京:北京工業(yè)大學出版社，1996.

［2］顧繩谷.電機及拖動基礎［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1980.

［3］西門子6RA70 全數字直流調速裝置6 kW～2500 kW 使用說明書［Z］.

［4］SIMOREG DC Master Application Master/Slave Switchover［Z］.