變頻矢量控制在數控機床主軸驅動中的應用

摘要：本文主要介紹數控機床主軸驅動變頻控制系統的結構與運行模式，闡述無速度傳感器矢量控制變頻器的基本應用。

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

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

1數控機床主軸變頻系統結構與運行模式

1.1 主軸電機變頻調速原理

由主軸電機轉速n=60f1(1-s)/p可知，當極對數p一定時，轉速n正比于電源頻率f1。連續改變電源頻率，即可對電機連續調速。變頻器頻率調節范圍寬，因此主軸電機轉速可在較寬范圍內調節。

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

變頻調速目前廣泛采用交-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可調、輸出電壓可變的矩形波三相交流電。通過脈寬調制，改變輸出脈沖占空比來改變輸出電壓。

1.2 主軸變頻系統構成

如圖1所示，對應于被加工件的AB段，主軸速度維持在1000r/min;對應于BC段，電機拖動主軸成恒線速，轉速連續變化，實現高精度切削。

在本系統中，速度信號的傳遞通過數控裝置到變頻器的模擬給定通道，通過輸入信號與設定頻率的輸入輸出特性的設置，滿足數控機床快速正反轉、自由調速、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，它是一種電壓發生裝置，對調頻過程中的電壓進行給定變化模式調節。常見的有線性V/F和平方V/F控制。

但標量控制低頻轉矩不夠，穩定性差，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，根據磁場定向分別對勵磁電流和轉矩電流進行控制，實現控制轉矩。具體是將定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量和產生轉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。通過控制轉子磁鏈，以轉子磁通定向分解定子電流獲得轉矩和磁場分量，經坐標轉換，實現解耦控制。

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

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，有些廠家有列出不同負荷對應的參數設置方法，大部分變頻器可自定義參數適用不同場合。

與標量控制相比，矢量控制的優點：(1)控制特性優良，足以和直流調速相媲美;(2)能實現高速響應;(3)調速范圍大;(4)可進行轉矩控制。

但轉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果。此外，必須得到轉子磁鏈在空間上的位置才能實現解耦，需配置轉子位置或速度傳感器，這給應用帶來不便。

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;使系統體積小、重量輕，應用廣泛。

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。總結各自產品，它們都具有的特點：(1)參數自動辯識和手動輸入相結合;(2)過載能力強;(3)低頻高輸出轉矩;(4)各種保護齊全。

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

2.3 電機參數辨識

電機除了常規參數如極數、額定功率、額定電流外，還有定子電阻、定子漏感抗、轉子電阻、轉子漏感抗、互感抗和空載電流。

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

參數辨識中，必須注意：(1)若旋轉辨識中出現過流或過壓，可適當增減加減速時間;(2)旋轉辨識只能在空載中進行;(3)辨識前必須正確輸入銘牌參數。

3結語

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

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

參考文獻

[1]杜金城.電氣變頻調速設計技術[M].中國電力出版社，2001.

[2]王侃夫.數控機床控制技術與系統[M].機械工業出版社，2002.