數(shù)控機床主軸驅(qū)動變頻控制設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(shù)控機床主軸驅(qū)動變頻控制設(shè)計學(xué) 院：沈陽工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院專業(yè)/班級：2012機械制造與制動化 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 石 起 強 指導(dǎo)教師： 于 鴻 2012年4月專心-專注-專業(yè)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。 關(guān)鍵詞：主軸驅(qū)動；矢量控制；變頻器 目 錄第1章 主軸變頻器的闡述數(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?/p>

2、軸的正、反轉(zhuǎn)和停止，可自動換檔和無級調(diào)速。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟起動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護等功能。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??；3、加減速時間短；4、過載能力強；5、噪聲低、震動小、壽命長。主軸驅(qū)動系統(tǒng)控制數(shù)控車床主軸的旋轉(zhuǎn)運動，為車床主軸提供驅(qū)動功率以及所需的切削力。目前在數(shù)控車床中，主軸驅(qū)動常使用交流電動機，直流電

3、動機已逐漸被淘汰，由于受永磁體的限制，交流同步電動機功率做得很大時，電動機成本太高。因此目前在數(shù)控機床的主軸驅(qū)動中，均采用籠型異步電動機。為了獲得良好的主軸特性，設(shè)計中采用矢量變頻控制的交流主軸電動機，矢量控制分無速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，后者具有更高的速度控制精度，在數(shù)控車床中無速度傳感器的矢量變頻器已符合控制要求，因此，本設(shè)計中變頻器采用無速度傳感器的矢量變頻器。1.1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

4、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

5、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。1.2主軸驅(qū)動系統(tǒng)的要求在切削過程中，工件與刀具的相互作用形成負載轉(zhuǎn)矩。理論上講，切削功率用于切削金屬的剝落和變形，故切削力正比于切削的材料性

6、質(zhì)和截面積，而截面積由切削深度和走刀量決定。切削轉(zhuǎn)矩則取決于切削力和工件回轉(zhuǎn)半徑的乘積，其大小與切削深度、進刀量、工件的材質(zhì)等因素有關(guān)。這使得數(shù)控車床主軸系統(tǒng)負載具有如下特點：1、在大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，數(shù)控車床允許切削深度與進刀量都是相等的，因而具有恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)。2、在高速段，受床身機械強度及振動等影響，速度越高，允許的切削深度和進刀量越小，負載轉(zhuǎn)矩也越小，因此具有恒功率性質(zhì)。數(shù)控車床要求主軸輸出功率大，調(diào)速范圍足夠大，并具有主軸與進給驅(qū)動同步控制、準?？刂?、角度分度控制等控制功能。為滿足上述數(shù)控要求，首先主軸電動機應(yīng)具備以下性能：1、電機功率大，且在調(diào)速范圍內(nèi)速度穩(wěn)定，恒功率調(diào)速范圍寬；2、在斷續(xù)

7、負載下，電機的轉(zhuǎn)速波動要??；3、加、減速時間短；4、電動機過載能力強；5、噪聲低、溫升低、震動小、壽命長。1.3主軸變頻器選用矢量控制法可使交流電動機變頻調(diào)速后的機械特性和動態(tài)性能足以和直流電動機相比。而無速度傳感器的矢量控制變頻器不僅能夠改善轉(zhuǎn)矩控制的特性，而且能夠改善針對各種負載變化產(chǎn)生的不同環(huán)境下的速度可控性。將2Hz的矢量變頻控制和V/F控制變頻進行比較可發(fā)現(xiàn)前者具有更強的輸出力矩，切削力幾乎與正常頻段相同。矢量控制模式可提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備超強的過載能力。主要具有以下特點：1、變頻器效率 96%至97%；2、過載能力強，內(nèi)置制動單元，5分鐘內(nèi)持續(xù)時間60秒15

8、0%(恒轉(zhuǎn)矩)負載電流過載，或1分鐘內(nèi)持續(xù)3秒200%過載；3、起動沖擊電流小于額定輸入電流；4、各種保護齊全。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)。電機除了考慮常規(guī)的參數(shù)如電機極數(shù)、額定功率、額定電流外，還應(yīng)考慮定子電阻、定子漏感抗、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子漏感抗、互感抗和空載電流。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

9、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0400Hz(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。如圖21圖2-1 變頻器在數(shù)控床上的應(yīng)用圖2-1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

10、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。主軸變頻器系統(tǒng)構(gòu)成示意如圖22圖2-2 主軸變頻器系統(tǒng)構(gòu)成示意圖在本系統(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

11、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，

12、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。3.2 無速度傳感器的矢量變頻器無速度傳感器的矢量

13、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5.5kW/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

14、，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。如圖3-1 圖3-1 無傳感器矢量變頻器的轉(zhuǎn)矩特性3.3 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

15、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。如圖3-2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)。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，此時選擇0-10V范圍，對應(yīng)頻率范圍0-50HZ/60HZ。3.4.2 P1300控制方式設(shè)定將變頻器P1300參數(shù)設(shè)置為20，

16、控制方式則設(shè)定為無傳感器矢量控制方式。3.4.3 電機參數(shù)設(shè)置1、P1120 斜坡上升時間2、P1121 斜坡下降時間3、P0304 電機額定電壓4、P0305 電機額定電流5、P0307 電機額定功率6、P0308 電機額定功率因數(shù)7、P0310 電機額定頻率8、P0311 電機額定速度電機各項額定參數(shù)設(shè)置應(yīng)以電機銘牌為準。3.4.4 電機識別將P1910=1后，BOP面板顯示A501，表示現(xiàn)在正在做電機辨識計算，應(yīng)啟動變頻器ON信號，辨識過程大約3-5分鐘。當變頻器自動OFF后，表示識別通過。使用MM440變頻器必須進行建模，對電機進行識別。即必須將P1910設(shè)置為1。否則運行參數(shù)與實際電

17、機模型不符，工作會不正常。交流控制有別于直流控制的特點之一就是需要在控制器里對受控電機進行建模。3.5 數(shù)控車床主軸變頻矢量控制的功能設(shè)置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；4、SR速度閉環(huán)參數(shù)設(shè)定。第4章 結(jié)束語使用變頻器后，取消了離合器、齒輪等機械變速部分，維護更加方便。不使用變頻器進行調(diào)速的數(shù)控車床一般使用時間控制器確認電機轉(zhuǎn)速到達指令速度開始進刀，使用變頻器后，實現(xiàn)了無級變速，可做到恒線速加工，機床可按指令信號進刀，縮短了加工周期，提高了生產(chǎn)效率；機床速度再現(xiàn)性好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；且容易實現(xiàn)高速運轉(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)以最繁重的運行模式來選擇。致 謝在論文完成之際，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師于老師的熱情關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。在我撰寫論文的過程中，于老師傾注了大量的心血和汗水，無論是在論文的選題、構(gòu)思和資料的收集方面，還是在論文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到牟老師悉心細致的教誨和無私的幫助，在此表示真誠地感謝和深深的謝意。在論文的寫作過程中，也得到了許多同學(xué)的寶貴建議，在此一并致以誠摯的感謝。最后，向在百忙中抽出時間對本文進行評審并提出寶貴意見的各位老師表示衷