數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動變頻控制---機(jī)電一體化

1、數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動變頻控制并簡述了無速摘要 :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(yùn)行模式， 度傳感器的矢量變頻器的基本應(yīng)用。關(guān)鍵詞： 矢量變頻器 無速度傳感器 矢量控制 數(shù)控車床是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是集機(jī)床、 、電機(jī)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(yùn)動是數(shù)控車床的一個(gè)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%基本控制是主軸的正、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(jī)。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

2、要高 ;(2) 在斷續(xù)負(fù)載下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動要小 ;(3) 加減速時(shí)間短 ;(4) 過載能力強(qiáng) ;(5) 噪聲低、震動小、壽命長。一、變頻器矢量控制闡述()、 70 年代西門子工程師 F.Blaschke 首先提出異步電機(jī)矢量控制理論來解決 交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問題。 矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機(jī)定子 電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從 而達(dá)到控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。 具體是將異步電動機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生 磁場的電流分量 ( 勵(lì)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(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即

3、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。(二) 、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(jī)等效為 直流電機(jī)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， Fuji 等國際化大公司變頻器上。( 三) 、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(jī)相匹 配，而且可以控制異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控 異步電動機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時(shí)需要準(zhǔn)確地輸入異步電動機(jī)的參數(shù)，有的通

4、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(jī)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(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)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(jī)進(jìn)行有效的矢量控 制。二、數(shù)控車床主軸變頻的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式2.1主軸變頻控制的基本原理由異步電機(jī)理論可知，主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為:n=(60f/p) x (1-s)，其中P-電動機(jī)的極對數(shù)，s轉(zhuǎn)差率，f 供電電源的頻率， n電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。從上式可看出，電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速，而對于變

5、頻器而言，其頻率的調(diào)節(jié)范圍是很寬的，可在0400Hz(甚至更高頻率)之間任意調(diào)節(jié)，因此主軸電機(jī)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(jī)過分磨損及過熱， 一般可以通過設(shè)定最高頻率來進(jìn)行限定。 jzemar w首主斗R A匹和L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(jìn)行編程和顯示。2.2主軸變頻控制的系統(tǒng)構(gòu)成不使用變頻器進(jìn)行變速傳動的數(shù)控車床一

6、般用時(shí)間控制器確認(rèn)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)指令速度開始進(jìn)刀，而使用變頻器后，機(jī)床可按指令信號進(jìn)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lOOOrpm,對應(yīng)于BC段，電機(jī)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(shí)現(xiàn)高精度切削。 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。三、無速度傳感器的矢量控制變頻器3.1 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(biāo)量控制 ) ，它就是一種電壓發(fā)生

7、模 式裝置，對調(diào)頻過程中的電壓進(jìn)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(jī)水泵變轉(zhuǎn)矩 )。標(biāo)量控制的弱點(diǎn)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 1:1O) ，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(jìn) 行推廣。所謂矢量控制，最通俗的講，為使鼠籠式異步機(jī)像直流電機(jī)那樣具有優(yōu)秀的運(yùn)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(jī)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(biāo)量控制而言，其優(yōu)點(diǎn)有 :(1) 控制特性非常優(yōu)良，可以直流電機(jī)的電樞電流加勵(lì)磁電

8、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 (1:1OO);(4) 可進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。當(dāng)然相對于標(biāo)量控制而言，矢量控制的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算煩瑣，而且必須存貯和頻 繁地使用電動機(jī)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。3.2 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，各自產(chǎn)品的特點(diǎn)，它們都具有以下

9、特點(diǎn) :(1) 電機(jī)參數(shù)自動辯識和手動輸入相結(jié)合 ;(2) 過載能力強(qiáng)，如50%定輸出電流2min、180%定輸出電流10s;(3) 低頻高輸出轉(zhuǎn)矩，女口 150%定轉(zhuǎn)矩/1HZ;(4) 各種保護(hù)齊全 (通俗地講，就是不容易炸模塊。圖口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(fù)載變化產(chǎn)生的不特定下的速度可控性。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(shí)的轉(zhuǎn)矩測試數(shù)據(jù) （電機(jī)為5.5kW/4極）。從圖中可知，其在 低速范圍時(shí)同樣可以產(chǎn)生強(qiáng)大的轉(zhuǎn)矩。在實(shí)驗(yàn)中，我們同樣將2Hz的矢量變頻控制和V/F控制變頻進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，前者具有更強(qiáng)的輸出力矩，切削

10、力幾乎與正常頻段（如30Hz或 50Hz）相同。3.3矢量控制中的電機(jī)參數(shù)辨識無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發(fā)展而來的。實(shí)現(xiàn)精確的磁場定向矢量控制需要在異步電動機(jī)內(nèi)安裝磁通檢測裝置，要在異步電動機(jī)內(nèi)安裝磁通檢測裝置是很困難的，但人們發(fā)現(xiàn)，即使不在異步電動機(jī)中直接安裝磁通檢測裝置， 也可以在通用變頻器內(nèi)部得到與磁通相應(yīng)的量，并由此得到了所謂的無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據(jù)輸入的電動機(jī)的銘牌參數(shù)，按照一定的關(guān)系 式分別對作為基本控制量的勵(lì)磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測，并通過控制 電動機(jī)定子繞組上的電壓的頻率使勵(lì)磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測

11、 值達(dá)到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)矢量控制。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(jī)相匹配，而且可以控制異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢 量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時(shí)需要準(zhǔn)確地輸入異步電動機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需 使用廠商指定的變頻器專用電動機(jī)進(jìn)行控制，否則難以達(dá)到理想的控制效果。目前新 型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機(jī)參數(shù)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(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機(jī)的 參數(shù)進(jìn)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

12、電動 機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。除了上述的無傳感器矢量控制和轉(zhuǎn)矩矢量控制等，可提高異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩控制性能的技術(shù)外，目前的新技術(shù)還包括異步電動機(jī)控制常數(shù)的調(diào)節(jié)及與機(jī)械系統(tǒng)匹配的適應(yīng)性控制等，以提高異步電動機(jī)應(yīng)用性能的技術(shù)。為了防止異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速偏差以及 在低速區(qū)域獲得較理想的平滑轉(zhuǎn)速， 應(yīng)用大規(guī)模集成電路并采用專用數(shù)字式自動電壓 調(diào)整（AVR控制技術(shù)的控制方式，已實(shí)用化并取得良好的效果3.4 變頻器參數(shù)調(diào)整3.4.1 P1000 頻率設(shè)定模擬量輸入AIN1可接收0-10V, 1-20mA或-10V-+10V的信號，該參數(shù)缺省值為2,此時(shí)選擇 0-10V 范圍，對應(yīng)頻率范圍 0-50HZ/60HZ。3

13、.4.2 P1300 控制方式設(shè)定將變頻器P1300參數(shù)設(shè)置為20,控制方式則設(shè)定為無傳感器矢量控制方式。3.4.3 電機(jī)參數(shù)設(shè)置1、P1120斜坡上升時(shí)間2、P1121斜坡下降時(shí)間3、P0304電機(jī)額定電壓4、P0305電機(jī)額定電流5、P0307電機(jī)額定功率數(shù)控車床是一種高精度、高效率的自動化設(shè)備，提高數(shù)控機(jī)床的可靠性就顯得尤 為重要?？煽慷仁窃u價(jià)可靠性的主要定量指標(biāo)之一，其定義為: 產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對數(shù)控機(jī)床來說，這里的功能主要指數(shù)控機(jī)床的 使用功能，例如數(shù)控機(jī)床的各種機(jī)能，伺服性能等。數(shù)控機(jī)床的功能部件對機(jī)床的功 能擴(kuò)展和性能的提升起著極為重要的作用，

14、因此，它不同于一般配套件和附件的選用， 不僅須與數(shù)控機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)諧和協(xié)調(diào)，融入整機(jī)系統(tǒng)具有最佳的匹配性能，而且還 能很好地彰顯出該數(shù)控機(jī)床的個(gè)性化特征。 用于高速化的數(shù)控系統(tǒng)不能僅是提高數(shù)據(jù) 處理能力，而是應(yīng)具備熱誤差補(bǔ)償單元以及能實(shí)現(xiàn)速度前瞻控制、位置環(huán)前饋控制和 加減速平穩(wěn)控制等先進(jìn)控制技術(shù)的功能。 所以必須選擇穩(wěn)定可靠的控制單元才能保證 數(shù)控機(jī)床正常高效運(yùn)行。使用變頻器后，取消了離合器、齒輪等機(jī)械變速部分，維護(hù) 更加方便。 不使用變頻器進(jìn)行調(diào)速的數(shù)控車床一般使用時(shí)間控制器確認(rèn)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá) 指令速度開始進(jìn)刀，使用變頻器后，實(shí)現(xiàn)了無級變速，可做到恒線速加工，機(jī)床可按 指令信號進(jìn)刀，縮短了加

15、工周期，提高了生產(chǎn)效率；機(jī)床速度再現(xiàn)性好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn) 定；且容易實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，可高效率的加工鋁等軟工件；但由于速度可調(diào)范圍大，需 要考慮與機(jī)械部件匹配防止諧振；由于制動電阻的大小是根據(jù)減速頻率決定的，應(yīng)以最繁重的運(yùn)行模式來選擇結(jié)束語裝備制造業(yè)是為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)提供技術(shù)裝備的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)， 是整個(gè)制 造業(yè)的基礎(chǔ)，其水平?jīng)Q定了國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平。數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)床裝備制造業(yè)的 核心，是制造自動化設(shè)備的關(guān)鍵。 。目前，我國的伺服驅(qū)動變頻系統(tǒng)和主軸伺服驅(qū)動 變頻系統(tǒng)在產(chǎn)品性能、產(chǎn)品質(zhì)量和結(jié)構(gòu)工藝方面和國外名牌系統(tǒng)仍存在較大的差距， 在用戶的心目中還未建立起足夠的信譽(yù)。在數(shù)控機(jī)床上，高性能數(shù)字?jǐn)?shù)控機(jī)床主軸驅(qū) 動變頻系統(tǒng)依然是以國外產(chǎn)品為主， 其中也有不少采用通用變頻器的主軸驅(qū)動變頻方 案，但是低速性能較差，因此，開發(fā)出高性能的主軸驅(qū)動變頻系統(tǒng)，建立國產(chǎn)數(shù)控系 統(tǒng)的成套技術(shù)，降低成本，以提高國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)品的競爭能力，是一項(xiàng)具有重要現(xiàn)實(shí)意 義的課題。致謝 在本次論文設(shè)計(jì)過程中，胡老師對該論文從選題，構(gòu)思到最后定稿的各個(gè)環(huán)節(jié)給予細(xì) 心指引與教導(dǎo) ,使我得以最終完成畢業(yè)論文設(shè)計(jì)。在學(xué)習(xí)中 , 老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐 富淵博的知識、敏銳的學(xué)術(shù)思維、精益