論變頻器與交流主軸驅動器

龔仲華

(常州機電職業技術學院，江蘇常州213164)

通用型變頻器與交流主軸驅動器是目前常用的數控機床主軸速度控制裝置。前者就是人們平時常說的“變頻器”，這是一種可用于不同廠家生產、不同參數的感應電動機控制的通用變頻調速裝置，也可以用于經濟型CNC機床的主軸速度控制;后者是指需要與CNC配套使用、用于全功能型數控機床的專用主軸變頻調速裝置。鑒于有較多的人對兩者的性能區別尚不十分清楚，因此，在選配數控系統、購買數控機床時可能會過多地考慮價格因素，導致在實際加工與使用時產生了各種問題。本文將對此進行論述，以供同行參考。

1 結構與特點

變頻器與交流主軸驅動器都是用于感應電動機變頻調速的控制器;均采用全數字控制、PWM變頻技術;主回路均為“交-直-交”PWM變頻的拓撲結構;所使用的電力電子器件以第三代“復合型”器件IGBT為主導。因此，它們在調速原理、控制對象、控制技術、拓撲結構、功率器件方面并無區別，這是它們的主要共同點。

變頻器的最大特點是可用于不同廠家、不同參數的感應電動機控制，其價格便宜、使用簡單、調試方便，故廣泛用于工業自動化的各個領域。但正因為如此，變頻器在設計時就無法預知控制對象(電動機)的參數，電動機模型需要進行大量的簡化與近似處理，其調速范圍一般較小，調速性能也較差。

交流主軸驅動器本質上也是變頻器，但它必須與生產廠家專門設計的感應電動機(稱為主軸電動機)配套使用，電動機出廠時經過了嚴格的測試與試驗，同規格電動機的參數十分接近。因此，可根據精確的數學模型利用閉環矢量控制對其進行精確控制，其調速性能好，且具有轉矩與位置控制功能。由于此類產品常用于數控機床主軸的大范圍、精確調速，故稱為“交流主軸驅動器”。

2 輸出特性

圖1為國外某著名公司對變頻器控制60 Hz/4極通用感應電動機(V/f控制，矢量控制與電動機密切相關，性能有所提高但難以定量比較)與交流主軸驅動器控制主軸電動機的輸出特性實測結果。(V/f為英文電壓/頻率(Voltage/frequency)首字母的縮寫，在國外無一例外地以V/f表示，但在國內常被表示為U/f控制，本文采用的是國際通用表示法。)

由圖1可見，交流主軸驅動由于使用了專用感應電動機，不僅可以在額定轉速以下區域進行恒轉矩調速，而且還可通過定子磁鏈的控制進行弱磁升速，使得額定轉速以上區域具有恒功率調速特性。但變頻器的輸出特性無規律，理論上只能在額定頻率的點上才能輸出額定轉矩與功率;而在整個調速范圍上的實際輸出轉矩只有額定值的50%左右，因此，使用時必須留有足夠的余量。

引起變頻器低速輸出轉矩減小的一個重要原因是通用電動機沒有獨立的冷卻風機，它需要依靠轉子軸上的風機進行“自通風”。隨著轉速的下降，其冷卻能力將顯著下降，從而導致了電動機工作電流的減小。為此，采用帶有獨立冷卻風機的變頻電動機是增大調速系統低速輸出轉矩的有效措施。

3 調速范圍與精度

調速范圍是衡量系統變速能力的指標，交流主軸系統用額定負載下實際可以達到的最低轉速與最高轉速之比來衡量，額定轉速以下區域為恒轉矩調速，額定轉速以上區域為恒功率調速。但采用變頻器控制的主軸在確定調速范圍時需要注意以下兩點:

(1)調速范圍不是變頻器的頻率控制范圍。變頻器的實際調速范圍遠遠小于頻率控制范圍，因為如果變頻器的輸出頻率低于2 Hz，電動機無法輸出正常運行所需的轉矩。即使像三菱公司最先進的FR-A740系列變頻器，其頻率控制范圍可達 0.01～400 Hz(1∶40 000)，但采用開環V/f控制下，雖可以通過低頻轉矩增大輸出轉矩，然而其實際有效的調速范圍一般也只有1∶20左右。

(2)確定變頻器調速范圍不能增加“額定負載”約束條件。由圖1可見，采用V/f控制的變頻器只有在額定頻率的點上才能輸出額定轉矩與功率。因此，不同公司對變頻器的調速范圍定義有所不同。三菱等公司一般將變頻器能短時輸出150%轉矩的范圍作為調速范圍;而安川等公司則將連續輸出轉矩大于規定值(如50%Me)的范圍定義為調速范圍。因而，采用變頻器控制主軸時應按照連續負載轉矩的2倍來選擇電動機與變頻器。

變頻器與交流主軸驅動器的調速精度定義方式同樣不同，變頻器大多采用開環控制，其調速精度是指控制4極感應電動機、在額定負載下所產生的速降與電動機額定轉速之比;而交流主軸驅動器通常為閉環控制，其調速精度是指主軸電動機在額定負載下所產生的速降與最高轉速之比。調速精度與系統的結構密切相關，一般而言，在同樣的控制方式下(V/f控制或矢量控制)，采用閉環控制后的調速精度可比開環提高10倍。

4 動態性能

交流調速系統的動態性能可以用速度響應、啟/制動特性等指標衡量，變頻器與交流主軸驅動器的動態性能差距很大。

(1)速度響應 是衡量交流調速系統動態性能的重要技術指標，它是指系統在負載慣量與電動機慣量相等的前提下，當速度指令以正弦波形式給定時，輸出可以完全跟蹤給定變化的正弦波頻率值。“速度響應”有時也稱“頻率響應”，分別用rad/s或Hz兩種不同的單位表示，轉換關系為1 Hz=2π rad/s。一般而言，V/f控制的變頻器速度響應通常只能達到10～20 rad/s;而交流主軸驅動器則可達300 rad/s以上。

(2)過載性能 變頻器與交流主軸驅動器的過載性能差別較大，變頻器的短時過載能力一般在100%～150%左右，而交流主軸驅動器則可達到150% ～200%。

(3)制動性能 交流主軸驅動器與變頻器所使用的都是感應電動機，它們都不像交流伺服電動機那樣轉子安裝有永久磁鐵、可以產生固定的磁場。因此，在轉速為零時均無“零速鎖定”轉矩輸出;但是，對于閉環位置控制的交流主軸驅動器來說，由于位置調節器的增益可做得很高，電動機如果在零位附近產生位置偏移，可以產生較大的恢復力矩。

5 其他

變頻器是用于通用感應電動機控制的調速裝置，生產量大、應用范圍廣，可控制的最大電動機功率可達630 kW;而交流主軸驅動器多用于數控機床的主軸控制，其功率范圍一般在100 kW以下。

交流主軸驅動器是針對特定電動機的專用控制器，驅動器與電動機原則上需要一一對應。變頻器是一種通用產品，對電動機的參數無太多要求，只要變頻器容量允許，同一變頻器可控制不同功率的電動機，如利用7.5 kW的變頻器控制3.7 kW或5.5 kW的電動機不但可行、而且還可以經常使用;此外，還可通過電路的切換用同一變頻器來控制多臺電動機(稱1∶n控制)。

表1 變頻器與交流主軸驅動器的性能比較表

在控制理論與方式上，不同變頻器有V/f控制、簡單矢量控制、先進磁通矢量控制、電流矢量控制等多種提法。但是，感應電動機(特別是通用電動機)的矢量控制是一個相當復雜的問題，其性能在很大程度上決定于磁通的精確預測。為此，出現了基于定子電壓/電流的磁通觀測器模型(開環電壓模型法)、基于定子電流與速度的磁通觀測器模型(開環電流模型法)，及閉環的基于電流誤差的轉子磁鏈觀測器模型、基于自適應理論的轉子磁鏈觀測器模型、龍貝格全價狀態觀測器模型等種類繁多的控制方案。這些控制方案都可在一定程度上改善變頻器調速性能，但至今還沒有形成一種為世人所公認的最佳控制方案，在此不再一一說明。

表1是當前階段變頻器與交流主軸驅動器的主要性能比較表，可供設計與選型參考。

6 結語

綜上所述，交流主軸驅動器由于需要配套專用電動機，其價格較高，但調速性能好，精度高，適合于高速高精度數控機床的主軸控制;而變頻器雖然具有使用方便、價格便宜的優點，但只能用于要求不高的經濟型CNC機床主軸控制，且在設計與選用時要考慮足夠的余量。作為機床生產廠家與用戶必須清醒地認識到:以變頻器控制通用電動機的方式來實現CNC機床高速高精度的速度/位置控制，在目前階段還只是人們對變頻器的期望。