數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)變頻控制設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)變頻控制設(shè)計(jì)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(jī)械制造與制動(dòng)化 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 石 起 強(qiáng) 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(dòng)中變頻控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)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(dòng)；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(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電機(jī)及其拖動(dòng)、自動(dòng)控制、檢測等技術(shù)為一身的自動(dòng)化設(shè)備。其中主軸運(yùn)動(dòng)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(dòng)力約占整臺車床的動(dòng)力的70%80%。基本控制是主

2、軸的正、反轉(zhuǎn)和停止，可自動(dòng)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(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護(hù)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(dòng)機(jī)。為滿足數(shù)控車床對主軸驅(qū)動(dòng)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(fù)載下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)要小；3、加減速時(shí)間短；4、過載能力強(qiáng)；5、噪聲低、震動(dòng)小、壽命長。主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制數(shù)控車床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為車床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率以及所需的切削力。目前在數(shù)控車床中，主軸驅(qū)動(dòng)常使用交流電動(dòng)機(jī)，直流電

3、動(dòng)機(jī)已逐漸被淘汰，由于受永磁體的限制，交流同步電動(dòng)機(jī)功率做得很大時(shí)，電動(dòng)機(jī)成本太高。因此目前在數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)中，均采用籠型異步電動(dòng)機(jī)。為了獲得良好的主軸特性，設(shè)計(jì)中采用矢量變頻控制的交流主軸電動(dòng)機(jī)，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(jì)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(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(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電

4、流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)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(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(dòng)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(dòng)機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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。目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測、自動(dòng)辨識、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。1.2主軸驅(qū)動(dòng)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(fù)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(jìn)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(fù)載具有如下特點(diǎn)：1、在大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，數(shù)控車床允許切削深度與進(jìn)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(jī)械強(qiáng)度及振動(dòng)等影響，速度越高，允許的切削深度和進(jìn)刀量越小，負(fù)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(jìn)給驅(qū)動(dòng)同步控制、準(zhǔn)?？刂啤⒔嵌确侄瓤刂频瓤刂乒δ?。為滿足上述數(shù)控要求，首先主軸電動(dòng)機(jī)應(yīng)具備以下性能：1、電機(jī)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(fù)載下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)要小；3、加、減速時(shí)間短；4、電動(dòng)機(jī)過載能力強(qiáng)；5、噪聲低、溫升低、震動(dòng)小、壽命長。1.3主軸變頻器選用矢量控制法可使交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速后的機(jī)械特性和動(dòng)態(tài)性能足以和直流電動(dòng)機(jī)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(fù)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(jìn)行比較可發(fā)現(xiàn)前者具有更強(qiáng)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(dòng)態(tài)特性，同時(shí)具備超強(qiáng)的過載能力。主要具有以下特點(diǎn)：1、變頻器效率 96%至97%；2、過載能力強(qiáng)，內(nèi)置制動(dòng)單元，5分鐘內(nèi)持續(xù)時(shí)間60秒15

8、0%(恒轉(zhuǎn)矩)負(fù)載電流過載，或1分鐘內(nèi)持續(xù)3秒200%過載；3、起動(dòng)沖擊電流小于額定輸入電流；4、各種保護(hù)齊全。由于矢量控制是著眼于轉(zhuǎn)子磁通來控制電機(jī)的定子電流，因此在其內(nèi)部的算法中大量涉及到電機(jī)參數(shù)。電機(jī)除了考慮常規(guī)的參數(shù)如電機(jī)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(yùn)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(jī)理論可知，主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為:n=(60f/p)×(1-s)其中P電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)，s轉(zhuǎn)差

9、率，f供電電源的頻率，n電動(dòng)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。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(jìn)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(jìn)行變速傳動(dòng)的數(shù)控車床一般用時(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1000rpm，對應(yīng)于BC段，電機(jī)拖動(dòng)主軸成恒線速度移動(dòng)，但轉(zhuǎn)速卻是聯(lián)系變化的，從而實(shí)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(biāo)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(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1:10)，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(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，

12、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(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(dòng)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

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(diǎn)，它們都具有以下特點(diǎn)：1、電機(jī)參數(shù)自動(dòng)辯識和手動(dòng)輸入相結(jié)合；2、過載能力強(qiáng)，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(hù)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(fù)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(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

14、，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(jī)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(jī)的定子電流，因此在其內(nèi)部的算法中大量涉及到電機(jī)參數(shù)。從圖3-2的異步電動(dòng)機(jī)的T型等效電路表示中可以看出，電機(jī)除了常規(guī)的參數(shù)如電機(jī)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(jī)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(dòng)

15、測量并計(jì)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(shí)將測量的參數(shù)寫入;在旋轉(zhuǎn)辨識中，變頻器自動(dòng)測量電機(jī)的互感抗和空載電流。如圖3-2圖3-2 異步電動(dòng)機(jī)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(shí)間；2、旋轉(zhuǎn)辨識只能在空載中進(jìn)行；3、如辨識前必須首先正確輸入電機(jī)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(shí)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(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6、P0308 電機(jī)額定功率因數(shù)7、P0310 電機(jī)額定頻率8、P0311 電機(jī)額定速度電機(jī)各項(xiàng)額定參數(shù)設(shè)置應(yīng)以電機(jī)銘牌為準(zhǔn)。3.4.4 電機(jī)識別將P1910=1后，BOP面板顯示A501，表示現(xiàn)在正在做電機(jī)辨識計(jì)算，應(yīng)啟動(dòng)變頻器ON信號，辨識過程大約3-5分鐘。當(dāng)變頻器自動(dòng)OFF后，表示識別通過。使用MM440變頻器必須進(jìn)行建模，對電機(jī)進(jìn)行識別。即必須將P1910設(shè)置為1。否則運(yùn)行參數(shù)與實(shí)際電

17、機(jī)模型不符，工作會(huì)不正常。交流控制有別于直流控制的特點(diǎn)之一就是需要在控制器里對受控電機(jī)進(jìn)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(jī)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(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(dòng)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。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(xì)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(shí)間對本文進(jìn)行評審并提出寶貴意見的各位老師表示衷