數(shù)控機床主軸驅(qū)動變頻控制

數(shù)控機床主軸驅(qū)動變頻控制

論文關(guān)鍵詞：矢量控制變頻器數(shù)控車床

論文摘要：本人于2007年4月份進入廣東省廣州昊達機電有限公司進行畢業(yè)前的綜合實踐，從事有關(guān)變頻器的工作。本文介紹了采用數(shù)控車床的主軸驅(qū)動中變頻控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行模式，并簡述了無速度傳感器的矢量變頻器的基本應(yīng)用。

前言

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、自動控制、檢測等技術(shù)為一身的自動化設(shè)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(wù)，其動力約占整臺車床的動力的70%～80%?；究刂剖侵鬏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，主軸控制裝置通常是采用交流變頻器來控制交流主軸電動機。為滿足數(shù)控車床對主軸驅(qū)動的要求，必須有以下性能:(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)過載能力強;(5)噪聲低、震動小、壽命長。

本文介紹了采用數(shù)控車床的主軸驅(qū)動中變頻控制的系統(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(yīng)用。

第1章變頻器矢量控制闡述

70年代西門子工程師首先提出異步電機矢量控制理論來解決交流電機轉(zhuǎn)矩控制問題。矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。矢量控制算法已被廣泛地應(yīng)用在siemens，AB，GE，F(xiàn)uji等國際化大公司變頻器上。

采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準確的被控異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動異步電動機進行正常運轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識，并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。

第2章數(shù)控車床主軸變頻的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行模式

主軸變頻控制的基本原理

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，改變頻率即可以平滑地調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，而對于變頻器而言，其頻率的調(diào)節(jié)范圍是很寬的，可在0～400Hz(甚至更高頻率)之間任意調(diào)節(jié)，因此主軸電機轉(zhuǎn)速即可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

當(dāng)然，轉(zhuǎn)速提高后，還應(yīng)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(shè)定最高頻率來進行限定。

圖2-1變頻器在數(shù)控床上的應(yīng)用

圖2-1所示為變頻器在數(shù)控車床的應(yīng)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。因此所有關(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。

主軸變頻控制的系統(tǒng)構(gòu)成

不使用變頻器進行變速傳動的數(shù)控車床一般用時間控制器確認電機轉(zhuǎn)速到達指令速度開始進刀，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。如果被加工件如圖2-2所示所示形狀，則由圖2-2中看出，對應(yīng)于工件的AB段，主軸速度維持在1000rpm，對應(yīng)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2-2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(shè)定頻率的輸入輸出特性曲線的設(shè)置，數(shù)控裝置就可以方便而自由地控制主軸的速度。該特性曲線必須涵蓋電壓/電流信號、正/反作用、單/雙極性的不同配置，以滿足數(shù)控車床快速正反轉(zhuǎn)、自由調(diào)速、變速切削的要求。

第3章無速度傳感器的矢量控制變頻器

主軸變頻器的基本選型

目前較為簡單的一類變頻器是V/F控制(簡稱標量控制)，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)節(jié)，常見的有線性V/F控制(用于恒轉(zhuǎn)矩)和平方V/F控制(用于風(fēng)機水泵變轉(zhuǎn)矩)。

標量控制的弱點在于低頻轉(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，而矢量控制的變頻器正逐步進行推廣。

所謂矢量控制，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控制性能，通過控制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(shè)定值，產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)矩。

矢量控制相對于標量控制而言，其優(yōu)點有:(1)控制特性非常優(yōu)良，可以直流電機的電樞電流加勵磁電流調(diào)節(jié)相媲美;(2)能適應(yīng)要求高速響應(yīng)的場合;(3)調(diào)速范圍大(1:100);(4)可進行轉(zhuǎn)矩控制。

當(dāng)然相對于標量控制而言，矢量控制的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計算煩瑣，而且必須存貯和頻繁地使用電動機的參數(shù)。矢量控制分無速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，區(qū)別在于后者具有更高的速度控制精度(萬分之五)，而前者為千分之五，但是在數(shù)控車床中無速度傳感器的矢量變頻器的控制性能已經(jīng)符合控制要求，所以這里推薦并介紹無速度傳感器的矢量變頻器。

無速度傳感器的矢量變頻器

無速度傳感器的矢量變頻器目前包括西門子、艾默生、東芝、日立、LG、森蘭等廠家都有成熟的產(chǎn)品推出，總結(jié)各自產(chǎn)品的特點，它們都具有以下特點:(1)電機參數(shù)自動辯識和手動輸入相結(jié)合;(2)過載能力強，如50%額定輸出電流2min、180%額定輸出電流10s;(3)低頻高輸出轉(zhuǎn)矩，如150%額定轉(zhuǎn)矩/1HZ;(4)各種保護齊全(通俗地講，就是不容易炸模塊)。

無速度傳感器的矢量控制變頻器不僅改善了轉(zhuǎn)矩控制的特性，而且改善了針對各種負載變化產(chǎn)生的不特定環(huán)境下的速度可控性。圖3-1所示，為某品牌無速度傳感器變頻器產(chǎn)品在低頻和正常頻段時的轉(zhuǎn)矩測試數(shù)據(jù)(電機為/4極)。從圖中可知，其在低速范圍時同樣可以產(chǎn)生強大的轉(zhuǎn)矩。在實驗中，我們同樣將2Hz的矢量變頻控制和V/F控制變頻進行比較發(fā)現(xiàn)，前者具有更強的輸出力矩，切削力幾乎與正常頻段(如30Hz或50Hz)相同。

圖3-1無傳感器矢量變頻器的轉(zhuǎn)矩特性

矢量控制中的電機參數(shù)辨識

由于矢量控制是著眼于轉(zhuǎn)子磁通來控制電機的定子電流，因此在其內(nèi)部的算法中大量涉及到電機參數(shù)。從圖3-2的異步電動機的T型等效電路表示中可以看出，電機除了常規(guī)的參數(shù)如電機極數(shù)、額定功率、額定電流外，還有R1(定子電阻)、X11(定子漏感抗)、R2(轉(zhuǎn)子電阻)、X21(轉(zhuǎn)子漏感抗)、Xm(互感抗)和I0(空載電流)。

參數(shù)辨識中分電機靜止辨識和旋轉(zhuǎn)辨識2種，其中在靜止辨識中，變頻器能自動測量并計算頂子和轉(zhuǎn)子電阻以及相對于基本頻率的漏感抗，并同時將測量的參數(shù)寫入;在旋轉(zhuǎn)辨識中，變頻器自動測量電機的互感抗和空載電流。

圖3-2異步電動機穩(wěn)定態(tài)等效電路

在參數(shù)辨識中，必須注意:(1)若旋轉(zhuǎn)辨識中出現(xiàn)過流或過壓故障，可適當(dāng)增減加減速時間;(2)旋轉(zhuǎn)辨識只能在空載中進行;(3)如辨識前必須首先正確輸入電機銘牌的參數(shù)。

數(shù)控車床主軸變頻矢量控制的功能設(shè)置

從圖1-1中可以看出，使用在主軸中變頻器的功能設(shè)置分以下幾部分:

1矢量控制方式的設(shè)定和電機參數(shù);

2開關(guān)量數(shù)字輸入和輸出;

3模擬量輸入特性曲線;

4SR速度閉環(huán)參數(shù)設(shè)定。

第4章結(jié)束語

對于數(shù)控車床的主軸電機，使用了無速度傳感器的變頻調(diào)速器的矢量控制后，具有以下顯著優(yōu)點:大幅度降低維護費用，甚至是免維護的;可實現(xiàn)高效