馬春峰

(威海職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，山東威海 264210)

0 引言

高速電主軸系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心功能部件，它實(shí)現(xiàn)了電機(jī)、主軸的一體化，具有結(jié)構(gòu)緊湊、回轉(zhuǎn)速度和精度高、動態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，能顯著提高零件的表面質(zhì)量和加工精度，在現(xiàn)代高速數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)自動換刀、鏜孔退刀以及剛性攻螺紋等加工要求，電主軸系統(tǒng)通常內(nèi)置編碼器，來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停、分度控制以及與進(jìn)給軸的配合。

目前常用的編碼器主要有光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器以及磁旋轉(zhuǎn)編碼器。光電編碼器精度高，接口簡單但轉(zhuǎn)速低且難以在高振動高污染的惡劣環(huán)境下工作;旋轉(zhuǎn)變壓器雖然防護(hù)等級高但是抗電磁干擾能力差、解碼電路復(fù)雜;而磁旋轉(zhuǎn)編碼器可同時(shí)兼顧高分辨率和高速度，具有高速同步串口通信接口，能夠滿足高速電主軸的高性能控制要求。

1 iC-MH磁旋轉(zhuǎn)編碼器功能

1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

iC-MH編碼器是德國iC-Haus GmbH公司推出的一款針對極小空間磁性傳感器應(yīng)用的快速12位編碼器。編碼器結(jié)合徑向磁化永磁鐵，在內(nèi)部整合了帶訊號放大器和增益控制的霍爾傳感器、兩個(gè)增量(ABZ、12位)和換向信號(UVW)A/D轉(zhuǎn)換器、六個(gè)RS-422線路驅(qū)動器及同步串行(SSI)接口，如圖1所示。

圖1 iC-MH內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

1.2 工作原理

iC-MH傳感器模塊和旋轉(zhuǎn)的永磁體相結(jié)合組成了一個(gè)完整的位置測量系統(tǒng)。iC-MH芯片內(nèi)部具有4個(gè)用于角度測量的霍爾傳感器，可以把磁場信號轉(zhuǎn)換為可測量的霍爾電壓信號。當(dāng)磁力線通過相反方向上的兩個(gè)相對的霍爾傳感器時(shí)，只有Z方向上的磁場可以被檢測到，由圖2中可以看到磁場矢量。4個(gè)霍爾傳感器的位置排列能夠很好的適應(yīng)永磁體的不同裝配位置。每兩個(gè)霍爾傳感器提供一組霍爾差分信號，當(dāng)永磁體沿軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過測量所產(chǎn)生的正余弦輸出電壓就可以用來計(jì)算旋轉(zhuǎn)的角度。

圖2 霍爾傳感器工作原理

2 在高速電主軸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

高速電主軸控制系統(tǒng)主要由CNC控制器、電主軸驅(qū)動單元、電主軸本體和檢測電主軸速度與位置的編碼器四部分組成，完成速度和位置閉環(huán)控制。其原理如圖3所示。其中CNC控制器向電主軸驅(qū)動單元發(fā)出速度指令或位置指令，驅(qū)動單元接收來自于電主軸編碼器的位置反饋信號，并根據(jù)上述指令執(zhí)行相應(yīng)的速度與位置控制。與此同時(shí)，CNC控制器也接收來自于電主軸編碼器的分頻輸出來對其指令進(jìn)行校正。

圖3 高速電主軸控制系統(tǒng)原理框圖

2.1 應(yīng)用接口電路

為了使iC-MH編碼器接口與通用的電主軸驅(qū)動器編碼器接口兼容，輸出采用ABZ和UVW增量信號，該差分信號接入電主軸驅(qū)動器和CNC控制器作為位置反饋信號。iC-MH編碼器和TMS320F2812核心芯片控制板的接口電路如圖4所示，通過BiSS接口與iC-MH編碼器通訊，在寄存器讀寫模式下可將相關(guān)運(yùn)行參數(shù)燒寫到內(nèi)部存儲器中。為減少電磁干擾，信號均采用差分輸出，并使用屏蔽雙絞線傳輸。

圖4 接口電路框圖

2.2 初始化設(shè)置

使用BiSS總線協(xié)議在寄存器模式下可對傳感器的寄存器進(jìn)行讀寫操作。其中地址0x00-0x0F為片內(nèi)RAM寄存器，用于器件運(yùn)行參數(shù)的讀寫，運(yùn)行參數(shù)主要包括：①模擬信號的設(shè)定參數(shù)：GAINING、GCC、VOSS、VOSC;②轉(zhuǎn)換功能設(shè)定參數(shù)：CFGRES、CFGHYS;③A、B相輸出信號設(shè)定參數(shù)：CFGAB、CFGDIR、CFGPOLE、CFGZPOS、CFGGO;④器件測試功能設(shè)定參數(shù)：TESTMODE;⑤接口設(shè)定參數(shù)：CFGDR、CFGSSI。地址0x10-0x1F為片內(nèi)ROM寄存器，用于存儲用戶設(shè)定的器件運(yùn)行時(shí)參數(shù)，可通過ZAP二極管進(jìn)行編程。地址0x20-0x75為通用存儲器;地址0x76-0x77為狀態(tài)寄存器，用于顯示器件運(yùn)行狀態(tài);地址0x78-0x7F為器件標(biāo)示寄存器，用于存儲器件ID號、版本號等出廠信息。

寄存器的讀寫操作由若干個(gè)BiSS幀組成，每個(gè)BiSS幀傳輸一位數(shù)據(jù)。首先設(shè)置CTS控制選擇位CTS=1，以獲得從動器寄存器的讀寫權(quán)限，然后開始尋址，包括3位的從動器ID、7位的寄存器地址和4位的CRC;接下來是兩個(gè)讀/寫位，決定了是一個(gè)讀操作(RW=10)還是一個(gè)寫操作(RW=01)。

2.2.1 寫訪問

當(dāng)兩個(gè)讀/寫位RW=01時(shí)，可以進(jìn)行寫訪問。隨后是1個(gè)起始位，8位寄存器參數(shù)數(shù)據(jù)，4位CRC和1個(gè)停止位;同時(shí)從動器返回所寫數(shù)據(jù)。

圖5 寄存器寫操作時(shí)序

2.2.2 讀訪問

當(dāng)兩個(gè)讀/寫位RW=“10”時(shí)，可以進(jìn)行讀訪問。隨后是一個(gè)起始位，12個(gè)“0”位和一個(gè)停止位;從動器返回的8位寄存器參數(shù)受4位CRC的保護(hù)。

圖6 寄存器讀操作時(shí)序

2.2.3 BiSS 幀

BiSS幀由主控器時(shí)鐘MA控制開始、計(jì)時(shí)、結(jié)束。MA的第一個(gè)上升沿用來同步從動器，第二個(gè)上升沿引起從動器的“ACK”信號，ACK信號會一直處于激勵(lì)狀態(tài)(SLO=0)直到起始位到達(dá)，在Biss幀的起始位和停止位中間，從第二個(gè)上升沿開始，數(shù)據(jù)范圍如圖7所示。BiSS幀以BiSS超時(shí)為結(jié)束，此時(shí)主控器不再發(fā)出時(shí)鐘MA。

圖7 BiSS幀時(shí)序

當(dāng)傳感器的參數(shù)初始化設(shè)置好后，可以通過ZAP二極管進(jìn)行編程將RAM中的參數(shù)燒寫到片內(nèi)的ROM中，這樣傳感器斷電后設(shè)置的參數(shù)不會丟失。具體的編程操作流程如圖8所示。

圖8 參數(shù)編程操作流程圖

2.3 實(shí)測結(jié)果

實(shí)測所用電主軸型號為 HSB1500908，額定功率7.5kW，額定轉(zhuǎn)矩8Nm，額定轉(zhuǎn)速9000轉(zhuǎn)。電主軸驅(qū)動器采用蒙德IMSMF-47P5E2型主軸驅(qū)動器。

設(shè)置GAIN寄存器值為0x00，GAINF寄存器值為0x3F，GCC寄存器值為0x7F，調(diào)整永磁體與iC-MH傳感器之間的距離，在測試模式下得到傳感器PSIN、PCOS信號波形如圖9所示，幅值為0.9V，與設(shè)置值相符，滿足芯片測量要求。將傳感器輸出的A、B相正交編碼信號接入電主軸驅(qū)動器中，并設(shè)置驅(qū)動器參數(shù)H5.01編碼器線數(shù)為4096線，參數(shù)A2.01電機(jī)控制模式為永磁同步電機(jī)磁通矢量控制，電主軸運(yùn)行正常，圖10為額定轉(zhuǎn)速9000轉(zhuǎn)啟動時(shí)的轉(zhuǎn)速波形。

圖9 傳感器PSIN、PCOS實(shí)測信號波形

實(shí)測結(jié)果表明，采用iC-MH編碼器作為位置測量傳感器，并配合驅(qū)動器的矢量控制策略能將電主軸的性能達(dá)到最優(yōu)，系統(tǒng)具有快速動態(tài)響應(yīng)能力和平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速。

圖10 電主軸額定轉(zhuǎn)速9000轉(zhuǎn)實(shí)測啟動波形

3 結(jié)論

采用iC-MH磁旋轉(zhuǎn)編碼器作為電主軸的位置測量傳感器，通過合理設(shè)計(jì)其接口電路，使用BiSS串口通訊協(xié)議進(jìn)行初始化，該方法硬件電路能夠兼容通用電主軸驅(qū)動器的編碼器接口，簡單可靠、易于實(shí)現(xiàn)，傳感器分辨率高、占用空間小，適合在高速電主軸控制系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

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