變頻矢量控制在數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

摘要：本文主要介紹數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)變頻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式，闡述無(wú)速度傳感器矢量控制變頻器的基本應(yīng)用。

數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)由CNC、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、檢測(cè)反饋系統(tǒng)、強(qiáng)電控制系統(tǒng)、編程裝置幾部分組成。其中主軸運(yùn)動(dòng)是數(shù)控機(jī)床的重要內(nèi)容，主要完成切削任務(wù)，其動(dòng)力約占機(jī)床動(dòng)力的70%～80%。正反轉(zhuǎn)和準(zhǔn)停以及自動(dòng)換檔無(wú)級(jí)調(diào)速是主軸的基本功能。

目前數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)多采用交流主軸驅(qū)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)性能有如下要求：(1)調(diào)速范圍寬并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速;(2)恒線速切削;(3)高精度，傳動(dòng)平穩(wěn);(4)良好的抗振性和穩(wěn)定性。

1數(shù)控機(jī)床主軸變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式

1.1 主軸電機(jī)變頻調(diào)速原理

由主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速n=60f1(1-s)/p可知，當(dāng)極對(duì)數(shù)p一定時(shí)，轉(zhuǎn)速n正比于電源頻率f1。連續(xù)改變電源頻率，即可對(duì)電機(jī)連續(xù)調(diào)速。變頻器頻率調(diào)節(jié)范圍寬，因此主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速可在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

當(dāng)然，轉(zhuǎn)速提高后，還應(yīng)考慮對(duì)其軸承及繞組的影響，防止電機(jī)過(guò)分磨損及過(guò)熱，一般可通過(guò)設(shè)定最高頻率進(jìn)行限定。

變頻調(diào)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(guò)濾波、逆變，把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)、輸出電壓可變的矩形波三相交流電。通過(guò)脈寬調(diào)制，改變輸出脈沖占空比來(lái)改變輸出電壓。

1.2 主軸變頻系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，對(duì)應(yīng)于被加工件的AB段，主軸速度維持在1000r/min;對(duì)應(yīng)于BC段，電機(jī)拖動(dòng)主軸成恒線速，轉(zhuǎn)速連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)高精度切削。

在本系統(tǒng)中，速度信號(hào)的傳遞通過(guò)數(shù)控裝置到變頻器的模擬給定通道，通過(guò)輸入信號(hào)與設(shè)定頻率的輸入輸出特性的設(shè)置，滿足數(shù)控機(jī)床快速正反轉(zhuǎn)、自由調(diào)速、變速切削的要求。

2無(wú)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(jiǎn)單的變頻器是V/F標(biāo)量控制，它是一種電壓發(fā)生裝置，對(duì)調(diào)頻過(guò)程中的電壓進(jìn)行給定變化模式調(diào)節(jié)。常見(jiàn)的有線性V/F和平方V/F控制。

但標(biāo)量控制低頻轉(zhuǎn)矩不夠，穩(wěn)定性差，在機(jī)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(guò)測(cè)量和控制異步電機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向分別對(duì)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)矩。具體是將定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位。

矢量控制實(shí)質(zhì)是將交流電機(jī)等效成直流電機(jī)，分別對(duì)速度、磁場(chǎng)兩個(gè)量獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向分解定子電流獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)分量，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)解耦控制。

矢量控制力矩大，適用于重負(fù)荷及低頻要保證力矩的場(chǎng)合，但國(guó)內(nèi)廠家無(wú)法將此功能做好，不能根據(jù)負(fù)載自動(dòng)調(diào)整適用。

V/F控制目前使用更普遍，一般場(chǎng)合可采用廠家出廠默認(rèn)參數(shù)，有些廠家有列出不同負(fù)荷對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置方法，大部分變頻器可自定義參數(shù)適用不同場(chǎng)合。

與標(biāo)量控制相比，矢量控制的優(yōu)點(diǎn)：(1)控制特性優(yōu)良，足以和直流調(diào)速相媲美;(2)能實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng);(3)調(diào)速范圍大;(4)可進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。

但轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，以及矢量變換的復(fù)雜性，實(shí)際控制效果很難以達(dá)到理論分析結(jié)果。此外，必須得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)解耦，需配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這給應(yīng)用帶來(lái)不便。

矢量控制分無(wú)速度傳感器和有速度傳感器，后者速度控制精度更高。在數(shù)控機(jī)床中無(wú)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(wú)速度傳感器矢量變頻器

無(wú)速度傳感器控制始于常規(guī)帶速度傳感器的傳動(dòng)控制，是利用檢測(cè)的定子電壓、電流進(jìn)行速度估計(jì)以取代速度傳感器。它能準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn)速信息，保持較高精度，滿足實(shí)時(shí)要求。無(wú)速度傳感器控制無(wú)需檢測(cè)硬件，提高了可靠性，降低了成本;使系統(tǒng)體積小、重量輕，應(yīng)用廣泛。

無(wú)速度傳感器矢量變頻器主要廠家有西門子、東芝、日立、LG等?？偨Y(jié)各自產(chǎn)品，它們都具有的特點(diǎn)：(1)參數(shù)自動(dòng)辯識(shí)和手動(dòng)輸入相結(jié)合;(2)過(guò)載能力強(qiáng);(3)低頻高輸出轉(zhuǎn)矩;(4)各種保護(hù)齊全。

無(wú)速度傳感器矢量控制改善了轉(zhuǎn)矩控制特性以及負(fù)載變化產(chǎn)生的不特定環(huán)境下的速度可控性。

2.3 電機(jī)參數(shù)辨識(shí)

電機(jī)除了常規(guī)參數(shù)如極數(shù)、額定功率、額定電流外，還有定子電阻、定子漏感抗、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子漏感抗、互感抗和空載電流。

參數(shù)辨識(shí)分靜止辨識(shí)和旋轉(zhuǎn)辨識(shí)。靜止辨識(shí)中，變頻器自動(dòng)測(cè)算定子和轉(zhuǎn)子電阻及漏感抗;旋轉(zhuǎn)辨識(shí)中，變頻器自動(dòng)測(cè)算互感抗和空載電流。

參數(shù)辨識(shí)中，必須注意：(1)若旋轉(zhuǎn)辨識(shí)中出現(xiàn)過(guò)流或過(guò)壓，可適當(dāng)增減加減速時(shí)間;(2)旋轉(zhuǎn)辨識(shí)只能在空載中進(jìn)行;(3)辨識(shí)前必須正確輸入銘牌參數(shù)。

3結(jié)語(yǔ)

由上述分析可知，使用主軸變頻器功能設(shè)置分以下幾方面：(1)矢量控制方式和參數(shù)設(shè)定;(2)開(kāi)關(guān)量輸入和輸出;(3)模擬量輸入特性曲線;(4)SR速度閉環(huán)參數(shù)設(shè)定。

對(duì)于數(shù)控機(jī)床的主軸電機(jī)，使用無(wú)速度傳感器矢量控制后，維護(hù)費(fèi)用大幅降低，實(shí)現(xiàn)了高效率切割和高精度加工，實(shí)現(xiàn)了高低速情況下強(qiáng)力矩輸出。

參考文獻(xiàn)

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