基于SPWM逆變控制技術(shù)的高速磨床

王曉峰

摘 要：SPWM控制方式有3種，一種是通過模擬電路控制，一種是通過數(shù)字電路控制，還有一種是通過前兩者相結(jié)合的方式控制，通過SPWM控制技術(shù)可以減少輸出電壓中的諧波含量，可以有效的減少轉(zhuǎn)矩脈動，使得高速磨床的電主軸運行更加平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：模擬電路；數(shù)字電路；脈沖序列

高速磨床中主要拖動系統(tǒng)中使用的電動機與平時使用的三相異步電動機不同，稱為電主軸。其外形比普通使用的電機主軸要更細(xì)更長，其主體內(nèi)部是裝載有冷卻水腔的，由于水腔的存在，可以很好的散發(fā)出電主軸因高速運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的熱量，同時采用油霧潤滑軸承，要使其使用時的油霧壓力保持在0.1-0.12MPa。

電主軸在工作時對電源的品質(zhì)提出了相關(guān)要求，輸入電壓和頻率直接決定了工件的成品率和精度，其中220V輸入電壓在±10%范圍內(nèi)波動時，要求輸出要保持在±5%以內(nèi)，頻率的精度更要保持在±1%以內(nèi)，為了達到要求的穩(wěn)定度，要加入電壓反饋環(huán)節(jié)。同時由于使用環(huán)境的原因，要加入完善的接地保護，同時因為轉(zhuǎn)動慣量、低頻阻抗較小，不能長期低頻運行，啟動和停止的次數(shù)不能過于頻繁。

在滿足以上要求的同時，我們加入SPWM控制，如采用模擬電路實現(xiàn)SPWM控制，首先要模擬元器件構(gòu)成的三角波和正弦波發(fā)生器產(chǎn)生三角載波信號uΔ和正弦波參考信號uR，然后將兩個量同時送入電壓比較器，產(chǎn)生SPWM脈沖序列。通過這種調(diào)制方式時uΔ和uR信號的比較和確定脈寬所花的時間較短，信號幾乎是瞬時完成的，不需要像數(shù)字電路一樣采用軟件的計算需要花一定的時間。但是這種算法所需要采用的基礎(chǔ)硬件較多，改變相關(guān)參數(shù)和調(diào)試不夠靈活。如果采用基于數(shù)字電路的SPWM逆變器，可以使用以軟件為基礎(chǔ)的相關(guān)控制模式。同時由于所用硬件數(shù)量較少而顯得較為靈活，但是需要通過計算機來決定SPWM的脈沖寬度，有延時和響應(yīng)時間。

通過于模擬電路確定SPWM脈沖寬度方法相似的還有自然采樣法，里面是通過計算機計算來獲得三角載波信號uΔ和正弦波參考信號uR的交點。交點便可方便的找到與之對應(yīng)的時刻（t0、t1、t2…），在時間軸上的投影便可確定SPWM脈沖的寬度，在使用時，將正弦波的quarter周期內(nèi)的uΔ和uR值計算出來寫入表格存入計算機，當(dāng)需要計算某時刻的uΔ和uR數(shù)值時，可通過查找表格的方法來快速得到結(jié)果，由于波形是對稱的，只要得到正弦波的quarter周期的uΔ和uR值就可，在同一周期的其他時刻的數(shù)值可以通過對稱關(guān)系求得。自然采樣法可以較為準(zhǔn)確的確定uΔ和uR的交點，但是計算量較大，當(dāng)頻率的范圍變的較大時，需要對各種頻率下對應(yīng)的uΔ和uR值列出表格。所以只有當(dāng)輸入的頻率變化不大時可以采用自然采樣法，如果要簡化計算量可以使用規(guī)則采樣法。

為了簡化計算量，可以采用近似的算出uΔ和uR的交點的方法，規(guī)則采樣法就是使uΔ和uR用近似的交點來替代實際的交點，此種方法有一定的誤差，但確實減少了計算量。

高速磨床調(diào)速控制系統(tǒng)：

其調(diào)速控制原理為高速磨床的主電路將三相交流電進行了可控整流，在經(jīng)過逆變橋，變成中頻交流電去拖動電主軸。變頻器的啟動方式為軟啟動，里面的PR板決定輸出頻率、電壓以及電流。PR板所接阻值的大小將確定放大器電壓的大小，通過電壓控制觸發(fā)電路，使輸出電壓u0的范圍受到控制。同時所接阻值的大小，在經(jīng)過電壓/頻率轉(zhuǎn)換，即確定了變頻器的電壓值，又得到了所需要的頻率。通過軟啟動、積分電路，保持電壓/頻率值不變，就能以恒轉(zhuǎn)矩起動。同時調(diào)速電位器可控制電動機速度的上升和下降，當(dāng)電動機速度處于其額定轉(zhuǎn)速時，電位器調(diào)整在最大值的位置。當(dāng)電動機需要制動時，要接入制動電阻，電壓/頻率的值按積分規(guī)律下降。整個變頻控制系統(tǒng)進入能耗制動。當(dāng)輸出電流超過額定值時，電流互感器使變頻器的輸出電流值下降，從而使負(fù)載電流的增長得到限制。

通過對高速磨床進行SPWM逆變控制，可以使電主軸的轉(zhuǎn)速和工藝流程得到改善，對工作的效率帶來了提升。也同時滿足了高速磨床拖動系統(tǒng)的控制要求。

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