淺析交流主軸電機的變頻器控制

許蔡輝 麥智煒 王碧瀅

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司，廣東佛山順德 528311)

淺析交流主軸電機的變頻器控制

許蔡輝 麥智煒 王碧瀅

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司，廣東佛山順德 528311)

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們在數(shù)控機床的加工精度要求越來越高，以勝任更復雜的產(chǎn)品加工制造需要。雖然在這方面已經(jīng)取得了不小的成就，但是仍面臨一些問題和存在不足，仍然需要加深對數(shù)控機床的主軸驅(qū)動系統(tǒng)的控制。本文對交流主軸電機的變頻器控制進行了分析。

數(shù)控機床；交流主軸電機；控制

數(shù)控機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)作為機床最核心的關(guān)鍵部件之一，其輸出性能對數(shù)控機床的整體水平是至關(guān)重要的。在加工過程中，主軸驅(qū)動為了維持恒定、最優(yōu)的切削速度，必須相應(yīng)于切削半徑的變化連續(xù)地調(diào)速，以確保加工的穩(wěn)定性和較高的生產(chǎn)率。當加工部件的切削內(nèi)、外半徑相差很大時，主軸速度的變化將達到幾倍，甚至十幾倍，在如此快速的變化下很難做到對系統(tǒng)的精準控制，這就需要采取措施適當?shù)膶ο到y(tǒng)進行調(diào)速。不難看出，主軸驅(qū)動需要對速度精度、動態(tài)剛度具有很高的要求，而且要求連續(xù)輸出的高轉(zhuǎn)矩能力和非常寬的恒功率運行范圍。交流主軸電機作為核心器件，它是保證整個系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)，能夠很好的提高系統(tǒng)的整體工作效率的同時又減少運行成本的支出，這時最理想的方式就是選擇變頻器來進行調(diào)速控制，簡化了操作流程，便于后期的保養(yǎng)和維修。在實際的工作中需要結(jié)合機床主軸的性能選擇適合的控制方法，這樣才能提高變頻交流主軸電機的性能。

1 數(shù)控機床系統(tǒng)概述

在機床數(shù)控系統(tǒng)，由工業(yè)微機IPC、進給控制、輔助控制和主軸轉(zhuǎn)速控制四個基本部分組成。它們通過工業(yè)微機IPC的外部總線連接在一起，依靠雙端口RAM傳輸數(shù)據(jù)。工業(yè)微機IPC是系統(tǒng)的核心，它的主要功能為提供可視化的人機操作界面，完成數(shù)據(jù)和指令的發(fā)送、接收，對其他的功能模塊進行控制，以完成對應(yīng)的工作任務(wù)等，從而實現(xiàn)對機床的準確控制，保障產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。輔助控制部分包括機床的冷卻系統(tǒng)、油壓系統(tǒng)與刀具等方面的控制。

在實際工作中通過測量我們發(fā)現(xiàn)：交流電機變頻調(diào)速時，它的頻率發(fā)生變化會引起磁通量發(fā)生變化，進而又反過來影響頻率的準確性，如何消除這種相關(guān)性是目前面臨的最主要的一個研究方向。通過實驗的研究發(fā)現(xiàn)，普通電機在向下調(diào)速時，改變外部輸入的交流電頻率（＜50Hz），會因為磁通量的變化產(chǎn)生一個勵磁電流，進而導致功率因數(shù)和電機負載能力下降，從而使得電機的控制效果受到了影響，造成控制精度不準確。倘若能夠設(shè)法同時降低交流電壓幅值(U)、則可維持不變，達到恒磁通變頻調(diào)速。

2 交流主軸電機變頻器控制原理

交流主軸驅(qū)動與變頻器都屬于感應(yīng)電機變頻方式，它們的工作原理各不相同，但是都能夠達到控制電機速度的效果，根據(jù)兩者之間不同的性能差異使得它們的應(yīng)用途徑各不相同，交流主軸驅(qū)動主要用在專用電機的調(diào)速中，變頻器則被用在普通電機的調(diào)速中。隨著科技的進步，矢量控制成為新一代變頻器的控制方式，它能夠很好的彌補傳統(tǒng)變頻器存在的不足，在準確度、工作效率等方面具有很大的提升。通常電機參數(shù)設(shè)置越準確，調(diào)速功能則越強。然而大多數(shù)與電機配套使用的通用變頻器無法確定不同廠家的電機參數(shù)，這就嚴重的影響到了實際的控制效果，使得控制過程中出現(xiàn)不同程度的誤差。

要想提高變頻器的調(diào)速性能，就必須運用數(shù)學模型來實現(xiàn)對變頻器對電機的控制。在市場上就有這樣一款變頻器產(chǎn)品，它能夠做到比同類產(chǎn)品更加精準的控制效果，而且成本比較低廉，它的參數(shù)設(shè)置也比較接近多數(shù)通用電機，這就使得它被廣泛的使用在先進的數(shù)控機床系統(tǒng)中。交流主軸驅(qū)動器與變頻器在感應(yīng)電機中執(zhí)行控制調(diào)速的功能，設(shè)計人員可根據(jù)實際情況選擇合適的電機控制器作為機床系統(tǒng)的設(shè)計，在選擇驅(qū)動器時需要對其生產(chǎn)廠家的資質(zhì)及相應(yīng)產(chǎn)品進行核實，并對其能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能進行嚴格的測試，從而挑選合適的產(chǎn)品來用進行數(shù)碼機床的電機調(diào)速控制。對變頻器進行優(yōu)化時，需要借鑒這一經(jīng)驗，提高變頻器的控制功能以及各項性能。變頻器采用矢量控制的方式，可以提高交流主軸電機的性能，而且可以充分的發(fā)揮出調(diào)速功能。

3 電機變頻器參數(shù)的調(diào)控

矢量控制變頻器因為其各方面的優(yōu)異性能，使得它在交流主軸電機的應(yīng)用較為廣泛，在設(shè)計數(shù)碼機床系統(tǒng)的同時，需要考慮到未來系統(tǒng)維護的便捷性，針對變頻器及其配套設(shè)備進行合理的配置，充分的實現(xiàn)其精準的控制效果。交流主軸電機的參數(shù)設(shè)置要明顯的不同于普通感應(yīng)電機，因此它不適合直接用作對電機進行控制，否則很難達到預期的效果。這就需要在使用前針對交流主軸電機對變頻器參數(shù)進行重新設(shè)定，這樣才能夠達到準確的控制調(diào)速的目的。第一步，先按照操作流程將主軸電機與主軸分離開；第二步，設(shè)定頻率的相關(guān)參數(shù)及控制范圍；第三步，連接輸出線路并檢查線路的連接是否正常；最后就是按照機器的使用說明進行調(diào)試。調(diào)試模式有快速調(diào)試與高級調(diào)試兩種，通常選擇前者作為安裝后的調(diào)試處理，這可根據(jù)實際的現(xiàn)場需要來進行考慮。

技術(shù)人員在完成電機基本參數(shù)的設(shè)定后，按下變頻器的“自動調(diào)整（自學習）”功能，這時機器內(nèi)部就會自動的開始執(zhí)行預定的程序，完成矢量控制所需要的全部電機參數(shù)的測試。自動調(diào)整由系統(tǒng)內(nèi)部的相應(yīng)操作單元來實現(xiàn)，它通過不斷的測試電機在不同轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)情況，來完成參數(shù)的自動修復和設(shè)定。該流程結(jié)束后就可以按照相應(yīng)的操作說明來對變頻器進行連線，確保交流主軸電機能夠正常的工作。

4 感應(yīng)電機交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略

感應(yīng)電機根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，分為繞線式和鼠籠式兩種類型。鼠籠式電機的結(jié)構(gòu)并不復雜，而且它具有很高的工作效率，同時便于操作使用，它通常被作為感應(yīng)電機主軸驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件，這也是考慮到系統(tǒng)便捷性的角度出發(fā)的。鼠籠式電機具有轉(zhuǎn)動慣量低、耐高溫、轉(zhuǎn)速快、價格低廉等特點，這也是它被廣泛運用的主要原因，然而它的不足之處在于功率和體積較大，是同類普通產(chǎn)品的2倍，這也制約了它在某些要求較高的地方的應(yīng)用。同時其起動電流不再受換向器的限制，因此其功率范圍遠大于直流電機，定子電壓可達到15kv，甚至更高。

感應(yīng)式主軸電機的控制無一例外地采用磁場定向技術(shù).它可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和磁通的分別控制，進而獲得較高的動態(tài)性能，磁場定向控制技術(shù)又分為間接磁場定向和直接磁場定向兩種實現(xiàn)方式。間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制技術(shù)相對操作簡單易行，現(xiàn)有的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能，不足之處在于它對電機的參數(shù)要求很高，提起的控制性能會隨著電機參數(shù)的變化而下降，這在實際的系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮到的一個問題。實際上，電機運行過程中，其轉(zhuǎn)子時間常數(shù)可以在400%的范圍內(nèi)變化，因此現(xiàn)代主軸控制器均采用辨識、估算和自整定技術(shù)對參數(shù)變化在線補償。這導致新的問題出現(xiàn)，就是當功率恒定不變時，磁場環(huán)境較弱會使得系統(tǒng)的滑差增益不能夠被動態(tài)補償，從而導致磁通和轉(zhuǎn)矩的振蕩。直接定子磁場定向技術(shù)、繞組切換技術(shù)及鐵耗自適應(yīng)補償技術(shù)等新技術(shù)的出現(xiàn)很好的解決了這樣的問題，它們能夠很好的彌補原有技術(shù)的存在的缺陷，有效的提高控制的效果。

結(jié)束語

綜上所述，數(shù)控機床的加工精度體現(xiàn)的是機床加工的數(shù)控水平，更進一步顯示的是工業(yè)化水平。提高對數(shù)控機床的變頻器控制的策略認識，能有效改善數(shù)控機床在改造和維修的促進前提下，加快數(shù)控機床的發(fā)展進度。

[1]趙云,劉洋,李葉松.實現(xiàn)感應(yīng)電機寬范圍最大轉(zhuǎn)矩控制的電流優(yōu)化策略[J].中國電機工程學報,2012,32(3):67-74.

[2]鄧新錦,曾岳南,陳康平.主軸驅(qū)動用異步電機的弱磁控制算法研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2014(4):94-96.

[3]姬清華,連黎明.高精度數(shù)控機床主軸伺服控制系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化,2012,34(6):79-81.

The inverter control of ac spindle motor

Xu Caihui Mai Zhiwei Wang Biying
（Guangdong Midea Refrigeration Equipment Co. Ltd., 528311）

In order to processing more complex products, the machining accuracy of numerical control machine is more demanding than ever before with the continuous development of science and technology. Although some achievements have been made, it still has shortage in spindle drive system of numerical control machine. In this paper the inverter control method of ac spindle motor is analyzed.

Numerical control machine; Ac spindle motor; Control