近年來，直接驅動技術在國際上發展很快，因其傳動系剛性好，無傳動間隙、無磨損和可用性高等諸多優點，在高速加工中心和工業母機等領域的應用越來越廣泛。直接驅動技術有旋轉運動和直接運動兩種基本方式。直接驅動旋轉軸（A、B、C軸）的伺服電機稱為直接驅動旋轉（DDR）電機，通常要求低轉速、大扭矩、轉角高分辨率。直接驅動數控系統直線軸（X、Y、Z軸）的伺服電機稱為直接驅動直線（DDL）電機，直線電機主要由以下幾部分組成：線圈總成（通常是動子）、永磁體總成（通常是靜子）和直線編碼器以及直線導軌、軸承等框架設計的機械結構等。

西門子公司自動化與驅動集團在這個過程中，一直致力于將先進的控制技術應用于國內創新的機床設計上，拓展機床設計的思路，提高機床的性能，為此向中國的機床市場提供了全系列的數控系統和驅動產品，其中包括直線電機、力矩電機和內裝主軸/電主軸等直接驅動產品。

2005年公司著手開發新一代數控成型磨齒機YK7340，鑒于以往的中小規格成型磨齒機的頭架傳動部分一般采用普通伺服電機，傳動鏈結構復雜，并需配置專門的消隙機構，成本較高，傳動精度卻仍難以保證。我公司通過廣泛調研，最終決定選用西門子力矩電機直接驅動頭架，嘗試在成型磨齒機的頭架驅動設計方面探索出一條新路。

相關理論

目前，力矩電機在成型磨齒機開發中的應用在國內尚屬空白，無相關的技術資料和經驗可供借鑒和參考。力矩電機的構造和原理比較特殊，因此在考慮電機防護等級，熱敏保護及循環冷卻等問題的同時，尤其需要通過反復的研究和實驗對電機的選型、控制方法及驅動參數的配置等相關的控制技術加以驗證和優化。

圖1 電機的控制原理框圖
1.電機的控制原理

電機的控制原理框圖如圖1所示。電流環是為伺服電機提供轉矩的電路。一般情況下它與電動機的匹配調節已由制造者作好了或者指定了相應的匹配參數，其反饋信號也在伺服系統內聯接完成，因此不需接線與調整。速度環是控制電動機轉速亦即坐標軸運行速度的電路。速度調節器是比例積分（PI）調節器，其P、I調整值完全取決于所驅動坐標軸的負載大小和機械傳動系統（導軌、傳動機構）的傳動剛度與傳動間隙等機械特性。位置環是控制坐標軸按指令位置精確定位的控制環節。位置環將最終影響坐標軸的位置精度及工作精度。這其中有兩方面的因素：一是位置測量元件的精度與CNC系統脈沖當量的匹配問題。測量元件單位移動距離發出的脈沖數目經過外部倍頻電路和/或CNC內部倍頻系數的倍頻后要與數控系統規定的分辨率相符；二是位置環增益系數Kv值的正確設定與調節。在速度環最佳化調節后Kv值的設定則成為反映機床性能好壞、影響最終精度的重要因素。Kv值是機床運動坐標自身性能優劣的直接表現而并非可以任意放大。關于Kv值的設置要注意兩個問題，首先要滿公式Kv=v/Δ，式中v為坐標運行速度（m/min），Δ為跟蹤誤差（mm）。

位置反饋一種是半閉環控制，即位置測量元件不在坐標軸最終運動部件上，也就是說還有部分傳動環節在位置閉環控制之外，這種情況要求環外傳動部分應有相當的傳動剛度和傳動精度，加入反向間隙補償和螺距誤差補償之后，可以得到很高的位置控制精度；第二種是全閉環控制，即位置測量元件安裝在坐標軸的最終運動部件上，理論上這種控制的位置精度情況最好，但是它對整個機械傳動系統的要求更高而不是低，如若不然，則會嚴重影響兩坐標的動態精度，而使得機床只能在降低速度環和位置精度的情況下工作。

前饋控制與反饋相反，它是將指令值取出部分預加到后面的調節電路，其主要作用是減小跟蹤誤差以提高動態響應特性從而提高位置控制精度。

2.SIEMENS DOConCD

SIMODRIVE Linear Motors 1FN1 and 1FN3(PJLM)（選型/安裝/參數）

SINUMERIK 840D Installation and Start-Up Guide(IAD)（調試）

Build-in torque motor 1FW6 planning guide (2003.5)

整體控制方案

YK7340數控成型磨齒機最終選擇了西門840Dpower line,611digital drive驅動力矩電機1FW6090，需滿足：Fmax應用 < Fmax電機；F有效應用齒輪傳動機構，簡化了設計，降低了機床成本，提高了回轉和插補精度。

低轉速、大轉矩：由于直接驅動沒有中間機械傳動環節（齒輪箱、絲杠/螺母、齒輪/齒條、齒輪/齒形帶、皮帶/皮帶輪、聯軸器）的降低轉速/放大轉矩的作用，要求直接驅動電機低轉速/大轉矩，故又稱直接驅動電機為力矩電機。

免維護：由于直接驅動沒有中間機械傳動環節（齒輪箱、絲杠-螺母、齒輪-齒條、齒輪-齒形帶、皮帶-皮帶輪、聯軸器等），無需對中間傳動環節進行機械維護。只有直接驅動直流無刷電機一個驅動部件，由于直流無刷電機沒有電刷也不需要維護。

零間隙、高剛度（低柔性）：由于直接驅動沒有中間機械傳動環節，不存在中間機械傳動環節的傳動間隙（齒輪間隙、絲杠/螺母間隙），沒有中間機械傳動環節存在的柔性的問題。

極好的伺服性能：由于直接驅動具有零間隙、高剛度、伺服環（速度環、位置環）可有較高的閉環帶寬。高帶寬使系統有極快的響應速度和抗負載擾動的能力。

具有較大的加/減速負載的能力：電機的加速能力全部用來加速負載，無需加速中間機械傳動環節。

極好的低速和高速性能：直接驅動直線電機可以獲得低于1μm/s的低速和獲得5m/s以上的高速。

極高的精度：由于沒有中間機械傳動環節的傳動誤差，直接驅動可以獲得極高的位置精度。定位精度（絕對位置精度）取決于反饋裝置的精度，重復定位精度取決于系統的分辨率。

緊湊、堅實的外形：無框架直接驅動電機是機器的一部分，使機器的外形更加美觀。

靜音運行：運行時沒有中間機械傳動環節的運行噪聲。

力矩電機1FW6090為液體冷卻，多級永磁交流同步電機，帶空心轉子。

1.直接驅動參數的配置及優化

（1）配置驅動：選擇驅動類型SLM，根據訂貨號選擇功率模塊。

（2）修改軸數據：如MD30130、MD30240驅動生效，速度等。

（3）選擇電機：根據訂貨號選擇電機，比較早HMI沒有力矩電機的訂貨號，必須手動輸入電機參數。

（4）選擇測量系統：選擇測量系統（根據實際使用光柵尺選擇），選擇轉子位置識別方式，必須進行轉子位置識別，確定速度實際值是否取反，輸入光柵尺的柵距。