變頻矢量控制在數(shù)控車床主軸中的應用

變頻矢量控制在數(shù)控車床主軸中的應用數(shù)控車床是機電一體化的典型產(chǎn)品，是集機床、計算機、電機及其拖動、自動掌握、檢測等技術(shù)為一身的自動化設備。其中主軸運動是數(shù)控車床的一個重要內(nèi)容，以完成切削任務，其動力約占整臺車床的動力的70%～80%?；菊莆帐侵鬏S的正、反轉(zhuǎn)和停止，可自動換檔和無級調(diào)速。

在目前數(shù)控車床中，主軸掌握裝置通常是采納溝通變頻器來掌握溝通主軸電動機。為滿意數(shù)控車床對主軸驅(qū)動的要求，必需有以下性能:(1)寬調(diào)速范圍，且速度穩(wěn)定性能要高;(2)在斷續(xù)負載下，電機的轉(zhuǎn)速波動要小;(3)加減速時間短;(4)過載力量強;(5)噪聲低、震驚小、壽命長。

本文介紹了采納數(shù)控車床的主軸驅(qū)動中變頻掌握的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行模式，并闡述了無速度傳感器的矢量變頻器的基本應用。2數(shù)控車床主軸變頻的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行模式

2.1主軸變頻掌握的基本原理

由異步電機理論可知，主軸電機的轉(zhuǎn)速公式為:

n=(60f/p)×(1-s)

其中P—電動機的極對數(shù)，s—轉(zhuǎn)差率，f—供電電源的頻率，n—電動機的轉(zhuǎn)速。從上式可看出，電機轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，轉(zhuǎn)變頻率即可以平滑地調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，而對于變頻器而言，其頻率的調(diào)整范圍是很寬的，可在0～400Hz(甚至更高頻率)之間任意調(diào)整，因此主軸電機轉(zhuǎn)速即可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)整。

當然，轉(zhuǎn)速提高后，還應考慮到對其軸承及繞組的影響，防止電機過分磨損及過熱，一般可以通過設定最高頻率來進行限定。

圖1變頻器在數(shù)控床上的應用

圖1所示為變頻器在數(shù)控車床的應用，其中變頻器與數(shù)控裝置的聯(lián)系通常包括:(1)數(shù)控裝置到變頻器的正反轉(zhuǎn)信號;(2)數(shù)控裝置到變頻器的速度或頻率信號;(3)變頻器到數(shù)控裝置的故障等狀態(tài)信號。因此全部關(guān)于對變頻器的操作和反饋均可在數(shù)控面板進行編程和顯示。

2.2主軸變頻掌握的系統(tǒng)構(gòu)成

不使用變頻器進行變速傳動的數(shù)控車床一般用時間掌握器確認電機轉(zhuǎn)速到達指令速度開頭進刀，而使用變頻器后，機床可按指令信號進刀，這樣一來就提高了效率。假如被加工件如圖2(1)所示所示外形，則由圖2(1)中看出，對應于工件的AB段，主軸速度維持在1000rpm，對應于BC段，電機拖動主軸成恒線速度移動，但轉(zhuǎn)速卻是聯(lián)系變化的，從而實現(xiàn)高精度切削。

圖2主軸變頻器系統(tǒng)構(gòu)成示意

在本系統(tǒng)中，速度信號的傳遞是通過數(shù)控裝置到變頻器的模擬給定通道(電壓或電流)，通過變頻器內(nèi)部關(guān)于輸入信號與設定頻率的輸入輸出特性曲線的設置，數(shù)控裝置就可以便利而自由地掌握主軸的速度。該特性曲線必需涵蓋電壓/電流信號、正/反作用、單/雙極性的不同配置，以滿意數(shù)控車床快速正反轉(zhuǎn)、自由調(diào)速、變速切削的要求。

3無速度傳感器的矢量掌握變頻器

3.1主軸變頻器的基本選型

目前較為簡潔的一類變頻器是V/F掌握(簡稱標量掌握)，它就是一種電壓發(fā)生模式裝置，對調(diào)頻過程中的電壓進行給定變化模式調(diào)整，常見的有線性V/F掌握(用于恒轉(zhuǎn)矩)和平方V/F掌握(用于風機水泵變轉(zhuǎn)矩)。

標量掌握的弱點在于低頻轉(zhuǎn)矩不夠(需要轉(zhuǎn)矩提升)、速度穩(wěn)定性不好(調(diào)速范圍1:10)，因此在車床主軸變頻使用過程中被逐步淘汰，而矢量掌握的變頻器正逐步進行推廣。

所謂矢量掌握，最通俗的講，為使鼠籠式異步機像直流電機那樣具有優(yōu)秀的運行性能及很高的掌握性能，通過掌握變頻器輸出電流的大小、頻率及其相位，用以維持電機內(nèi)部的磁通為設定值，產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)矩。

矢量掌握相對于標量掌握而言，其優(yōu)點有:(1)掌握特性特別優(yōu)良，可以直流電機的電樞電流加勵磁電流調(diào)整相媲美;(2)能適應要求高速響應的場合;(3)調(diào)速范圍大(1:100);(4)可進行轉(zhuǎn)矩掌握。

當然相對于標量掌握而言，矢量掌握的結(jié)構(gòu)簡單、計算煩瑣，而且必需存貯和頻繁地使用電動機的參數(shù)。矢量掌握分無速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，區(qū)分在于后者具有更高的