摘要：本文主要介紹數(shù)控機床主軸驅(qū)動變頻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運行模式，闡述無速度傳感器矢量控制變頻器的基本應(yīng)用。

數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)由CNC、主軸驅(qū)動系統(tǒng)、進給伺服系統(tǒng)、檢測反饋系統(tǒng)、強電控制系統(tǒng)、編程裝置幾部分組成。其中主軸運動是數(shù)控機床的重要內(nèi)容，主要完成切削任務(wù)，其動力約占機床動力的70%～80%。正反轉(zhuǎn)和準停以及自動換檔無級調(diào)速是主軸的基本功能。

目前數(shù)控機床主軸驅(qū)動多采用交流主軸驅(qū)動。數(shù)控機床對主軸驅(qū)動性能有如下要求：(1)調(diào)速范圍寬并實現(xiàn)無級調(diào)速;(2)恒線速切削;(3)高精度，傳動平穩(wěn);(4)良好的抗振性和穩(wěn)定性。

1數(shù)控機床主軸變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行模式

1.1 主軸電機變頻調(diào)速原理

由主軸電機轉(zhuǎn)速n=60f1(1-s)/p可知，當極對數(shù)p一定時，轉(zhuǎn)速n正比于電源頻率f1。連續(xù)改變電源頻率，即可對電機連續(xù)調(diào)速。變頻器頻率調(diào)節(jié)范圍寬，因此主軸電機轉(zhuǎn)速可在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

當然，轉(zhuǎn)速提高后，還應(yīng)考慮對其軸承及繞組的影響，防止電機過分磨損及過熱，一般可通過設(shè)定最高頻率進行限定。

變頻調(diào)速目前廣泛采用交-直-交電壓型變頻器，其工作原理是將50Hz工頻交流電整流成直流電，通過濾波、逆變，把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)、輸出電壓可變的矩形波三相交流電。通過脈寬調(diào)制，改變輸出脈沖占空比來改變輸出電壓。

1.2 主軸變頻系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，對應(yīng)于被加工件的AB段，主軸速度維持在1000r/min;對應(yīng)于BC段，電機拖動主軸成恒線速，轉(zhuǎn)速連續(xù)變化，實現(xiàn)高精度切削。

在本系統(tǒng)中，速度信號的傳遞通過數(shù)控裝置到變頻器的模擬給定通道，通過輸入信號與設(shè)定頻率的輸入輸出特性的設(shè)置，滿足數(shù)控機床快速正反轉(zhuǎn)、自由調(diào)速、變速切削的要求。

2無速度傳感器矢量控制變頻器

2.1 主軸變頻器選型

目前較為簡單的變頻器是V/F標量控制，它是一種電壓發(fā)生裝置，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和平方V/F控制。

但標量控制低頻轉(zhuǎn)矩不夠，穩(wěn)定性差，在機床主軸變頻控制中逐步被矢量控制取代。

矢量控制基本原理是通過測量和控制異步電機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向分別對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)矩。具體是將定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位。

矢量控制實質(zhì)是將交流電機等效成直流電機，分別對速度、磁場兩個量獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向分解定子電流獲得轉(zhuǎn)矩和磁場分量，經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)解耦控制。

矢量控制力矩大，適用于重負荷及低頻要保證力矩的場合，但國內(nèi)廠家無法將此功能做好，不能根據(jù)負載自動調(diào)整適用。

V/F控制目前使用更普遍，一般場合可采用廠家出廠默認參數(shù)，有些廠家有列出不同負荷對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置方法，大部分變頻器可自定義參數(shù)適用不同場合。

與標量控制相比，矢量控制的優(yōu)點：(1)控制特性優(yōu)良，足以和直流調(diào)速相媲美;(2)能實現(xiàn)高速響應(yīng);(3)調(diào)速范圍大;(4)可進行轉(zhuǎn)矩控制。

但轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，以及矢量變換的復雜性，實際控制效果很難以達到理論分析結(jié)果。此外，必須得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實現(xiàn)解耦，需配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這給應(yīng)用帶來不便。

矢量控制分無速度傳感器和有速度傳感器，后者速度控制精度更高。在數(shù)控機床中無速度傳感器矢量控制已能滿足要求，故這里推薦并作介紹。

2.2 無速度傳感器矢量變頻器

無速度傳感器控制始于常規(guī)帶速度傳感器的傳動控制，是利用檢測的定子電壓、電流進行速度估計以取代速度傳感器。它能準確獲取轉(zhuǎn)速信息，保持較高精度，滿足實時要求。無速度傳感器控制無需檢測硬件，提高了可靠性，降低了成本;使系統(tǒng)體積小、重量輕，應(yīng)用廣泛。

無速度傳感器矢量變頻器主要廠家有西門子、東芝、日立、LG等?？偨Y(jié)各自產(chǎn)品，它們都具有的特點：(1)參數(shù)自動辯識和手動輸入相結(jié)合;(2)過載能力強;(3)低頻高輸出轉(zhuǎn)矩;(4)各種保護齊全。

無速度傳感器矢量控制改善了轉(zhuǎn)矩控制特性以及負載變化產(chǎn)生的不特定環(huán)境下的速度可控性。

2.3 電機參數(shù)辨識

電機除了常規(guī)參數(shù)如極數(shù)、額定功率、額定電流外，還有定子電阻、定子漏感抗、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子漏感抗、互感抗和空載電流。

參數(shù)辨識分靜止辨識和旋轉(zhuǎn)辨識。靜止辨識中，變頻器自動測算定子和轉(zhuǎn)子電阻及漏感抗;旋轉(zhuǎn)辨識中，變頻器自動測算互感抗和空載電流。

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，可適當增減加減速時間;(2)旋轉(zhuǎn)辨識只能在空載中進行;(3)辨識前必須正確輸入銘牌參數(shù)。

3結(jié)語

由上述分析可知，使用主軸變頻器功能設(shè)置分以下幾方面：(1)矢量控制方式和參數(shù)設(shè)定;(2)開關(guān)量輸入和輸出;(3)模擬量輸入特性曲線;(4)SR速度閉環(huán)參數(shù)設(shè)定。

對于數(shù)控機床的主軸電機，使用無速度傳感器矢量控制后，維護費用大幅降低，實現(xiàn)了高效率切割和高精度加工，實現(xiàn)了高低速情況下強力矩輸出。

參考文獻

[1]杜金城.電氣變頻調(diào)速設(shè)計技術(shù)[M].中國電力出版社，2001.

[2]王侃夫.數(shù)控機床控制技術(shù)與系統(tǒng)[M].機械工業(yè)出版社，2002.