DL230變頻器在CNC機(jī)床上的典型應(yīng)用分析

吳玉琴

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫交通分院，江蘇 無錫 214151 )

DL230變頻器在CNC機(jī)床上的典型應(yīng)用分析

吳玉琴

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫交通分院，江蘇 無錫 214151 )

變頻器應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)是當(dāng)今制造業(yè)自動化的一個必然趨勢。將基于DL200通用變頻器開發(fā)的一款機(jī)床主軸定位專用變頻器應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，采用矢量控制模式、電機(jī)參數(shù)和機(jī)械傳動比自學(xué)習(xí)功能，實現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的主軸起停、準(zhǔn)停、脈沖同步跟隨、多點(diǎn)定位等的自動控制功能，提高了數(shù)控系統(tǒng)的靈活性、擴(kuò)展性和集成性，獲得了更好的加工效果，同時易于安裝，性價比高。

DL230變頻器； CNC機(jī)床； 數(shù)控系統(tǒng)

當(dāng)今社會，隨著科技、經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國在制造業(yè)自動化方面也有了質(zhì)的飛躍。CNC機(jī)床簡稱數(shù)控機(jī)床，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機(jī)床。它有高精度、高自動化、高效率和高柔性化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于自動化加工設(shè)備中?；贒L200通用變頻器開發(fā)的一款機(jī)床主軸定位專用變頻器應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，實現(xiàn)了主軸起停、準(zhǔn)停、脈沖同步跟隨、多點(diǎn)定位等自動控制功能，也獲得了更好的加工效果。

1 數(shù)控機(jī)床的技術(shù)要求

1.1電機(jī)要求

在現(xiàn)代機(jī)床生產(chǎn)中，一般采用多電機(jī)拖動，主軸和各進(jìn)給系統(tǒng)分別由各自的電機(jī)來拖動。數(shù)控機(jī)床通常以伺服同步電機(jī)作進(jìn)給電機(jī)，然后通過伺服系統(tǒng)控制機(jī)床動作，要求位置響應(yīng)比較快，且對主軸作多個軸向的位置控制。對于數(shù)控機(jī)床的主軸電機(jī)，多數(shù)采用變頻異步電機(jī)，通過變頻器加以控制。

1.2變頻器的技術(shù)要求

變頻異步電機(jī)與普通異步電機(jī)相比調(diào)速范圍更廣，本案例中的變頻電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為12 000 r/min。同時變頻電機(jī)裝有獨(dú)立風(fēng)扇，低頻散熱效果更好。部分機(jī)床要求主軸電機(jī)能加裝編碼器，用于準(zhǔn)停定位控制，方便換刀。

(1)要求低頻力矩大。選用無PG矢量控制時，要求低頻0.5 Hz能有150%額定轉(zhuǎn)矩；當(dāng)使用帶PG矢量控制時，要求0 Hz有150%額定轉(zhuǎn)矩。

(2)能進(jìn)行電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)。矢量控制性能依賴于準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)。選用矢量變頻器后，要達(dá)到很好的控制性能通常需要對電機(jī)進(jìn)行完整的參數(shù)自學(xué)習(xí)，以獲取準(zhǔn)確的電機(jī)內(nèi)部參數(shù)。

(3)調(diào)速范圍大，穩(wěn)速精度高。主軸變頻調(diào)速的范圍很寬，以2極對數(shù)電機(jī)為例，0～12 000 r/min對應(yīng)0～400 Hz，數(shù)控機(jī)床要求變頻器在高低速均有較高的穩(wěn)速精度。

(4)加減速時間短、力矩大。數(shù)控機(jī)床通常對主軸進(jìn)行頻繁加減速，加減速時間越短，生產(chǎn)效率越高。數(shù)控機(jī)床要求變頻器在0～50 Hz的加減速時間能到0.1 s，正反轉(zhuǎn)切換要平滑，這就要求變頻器的磁通辨識精度要高，從而保證能控制電機(jī)以最大力矩輸出。

(5)過負(fù)載能力強(qiáng)。主軸加減速，或者切削時，變頻器往往運(yùn)行于額定負(fù)載之上，數(shù)控機(jī)床要求變頻器具有150%負(fù)載運(yùn)行1分鐘的能力。

(6)端子接口。要求提供標(biāo)準(zhǔn)的0～10 V模擬量接口，用于頻率給定；提供多功能的輸入端子接口，用于起?？刂频炔僮?；提供多功能的輸出端子信號，例如故障輸出信號、運(yùn)行中信號、速度到達(dá)、準(zhǔn)停到達(dá)等輸出信號。

2 DL230機(jī)床主軸專用變頻器

中譽(yù)東蓮DL230變頻器是基于DL200通用變頻器開發(fā)的一款機(jī)床主軸定位專用變頻器，其變頻控制系統(tǒng)優(yōu)勢如下 ：

(1)采用矢量控制模式，動態(tài)響應(yīng)快，速度控制精度高，在高低速均有較大力矩輸出能力。帶PG矢量控制方式下，調(diào)速比為1∶50 000 Hz起動轉(zhuǎn)矩為180%。無PG矢量控制方式下，調(diào)速比為1∶200，0.25 Hz起動轉(zhuǎn)矩為150%。能實現(xiàn)0.1 s加減速，最大輸出頻率400 Hz，滿足大多數(shù)機(jī)床應(yīng)用的需求。

(2)有7路開關(guān)量輸入端子，用于變頻器的起停、準(zhǔn)停等控制；有2路模擬量輸入，AI1：0～+10 V或0～20 mA可選，AI2：0～+10 V，均可用于頻率給定；有2路數(shù)字式輸出端子和2路繼電器輸出端子，用于指示變頻器的運(yùn)行狀態(tài)。

(3)開發(fā)了機(jī)床主軸專用功能，如主軸準(zhǔn)停、脈沖跟隨控制、速度/位置控制切換、多點(diǎn)定位。

(4)完整的電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)功能。自動辨識出電機(jī)定子電子、轉(zhuǎn)子電阻、定轉(zhuǎn)子電感、空載電流參數(shù)，起到良好的矢量控制性能。

(5)機(jī)械傳動比自學(xué)習(xí)功能。機(jī)床主軸與電機(jī)軸往往不同軸，使用DL230的機(jī)械傳動比自學(xué)習(xí)功能可以更方便快捷地識別出電機(jī)軸與主軸的機(jī)械傳動比。

3 系統(tǒng)方案

在本數(shù)控系統(tǒng)中，CNC通過數(shù)字端子控制變頻器的起停，再通過AI1模擬量給定設(shè)置變頻器的輸出頻率。變頻器通過PG反饋信號獲取位置信息，電機(jī)軸與主軸通過帶齒的傳送帶連接，傳動比為1∶1，通過電機(jī)軸位置判斷主軸位置。

數(shù)控系統(tǒng)中，變頻器控制方式為帶PG矢量控制，可以獲得很好的速度控制精度。本設(shè)計方案是由變頻器和異步電動機(jī)組成的伺服系統(tǒng)的三環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 伺服系統(tǒng)三環(huán)結(jié)構(gòu)

根據(jù)加工工序要求，在某些情況下變頻器需要切換到位置跟蹤模式。變頻器接收來自CNC的脈沖給定信號，控制主軸跟隨位置給定。脈沖跟隨模式可獲取更強(qiáng)的系統(tǒng)剛性，以期更好的加工效果。CNC數(shù)控系統(tǒng)通過變頻器PG擴(kuò)展卡的PG反饋輸出接口獲取PG位置反饋信號，用于控制邏輯判斷。

本文采用了脈寬調(diào)制(PWM)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)的時候，電源并非連續(xù)地向電機(jī)供電，而是在一個特定的頻率下以方波脈沖的形式提供電能。

4 數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置情況，特擬制調(diào)試步驟及說明如下：

4.1電機(jī)參數(shù)辨識

(1) 根據(jù)電機(jī)銘牌設(shè)置P01組電機(jī)參數(shù)，包括電機(jī)額定功率、額定電壓、額定頻率、額定電流；

(2) 點(diǎn)動試運(yùn)行：按住鍵盤上的點(diǎn)動鍵，此時電機(jī)應(yīng)低速運(yùn)行；

(3) 為了完整的辨識電機(jī)參數(shù)，設(shè)定P01.11執(zhí)行旋轉(zhuǎn)辨識，參數(shù)辨識前請盡量減去負(fù)載，或者將電機(jī)與負(fù)載脫開，太重的負(fù)載會影響參數(shù)辨識準(zhǔn)確性；

(4) 設(shè)定P01.11為2后，按RUN鍵即開始自動調(diào)諧；

(5) 當(dāng)操作面板上的運(yùn)行指示燈滅時，表示自整定結(jié)束。

4.2閉環(huán)矢量控制調(diào)試

(1) 按照編碼器的規(guī)格設(shè)置編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)P14.00，如果編碼器不直接安裝在電機(jī)軸上，則還需設(shè)置編碼器安裝軸與電機(jī)軸的機(jī)械傳動比P14.03，機(jī)械傳動比可通過設(shè)置P01.11為3自動辨識得到；

(2) 編碼器方向的確定：將控制方式P00.02設(shè)置為2：VF控制，并設(shè)置一定的頻率，控制變頻器正向運(yùn)行，如果參數(shù)P90.17顯示為正數(shù)，且頻率約等于設(shè)定頻率，則編碼器方向正確。否則編碼器方向錯誤，需要切換電機(jī)線任意2相，或者設(shè)置P14.01修改編碼器方向；

(3) 將控制方式P00.02設(shè)置為1：帶PG矢量控制模式，按鍵盤的JOG(點(diǎn)動)鍵，確定帶PG矢量控制能正常運(yùn)行；

(4) 起動變頻器運(yùn)行，修改設(shè)定頻率，觀察在多個頻率點(diǎn)運(yùn)行時，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是否穩(wěn)定，變頻器輸出電流是否正常。如果運(yùn)行不穩(wěn)定，或者性能不滿足要求，則根據(jù)具體情況調(diào)整矢量控制相關(guān)參數(shù)，直至滿足要求。

4.3主軸定位調(diào)試

下面以速度控制與脈沖控制切換，并帶主軸準(zhǔn)停功能為例，介紹主軸定位的調(diào)試。

(1) 設(shè)置定位控制選擇P16.00為2：速度/轉(zhuǎn)矩控制<->定位控制；

(2) 位置脈沖指令控制模式：將位置指令源P16.01設(shè)為0：脈沖給定；

(3) 設(shè)置位置脈沖指令方式選擇P16.16為001，選擇脈沖給定形式為方向/脈沖信號；

(4) 設(shè)置點(diǎn)對點(diǎn)定位控制模式P16.29為032，通過設(shè)置P16.31設(shè)置準(zhǔn)停角度，可通過參數(shù)P90.56查看當(dāng)前角度位置，直接將P90.56數(shù)值輸入P16.31，即設(shè)置當(dāng)前角度為準(zhǔn)停角度；

(5) 通過設(shè)置位置環(huán)增益，位置控制加減速時間來調(diào)節(jié)定位效果。

5 結(jié)語

企業(yè)生產(chǎn)的DL230變頻器主要適用于機(jī)床、包裝、印刷等要求設(shè)備準(zhǔn)停、脈沖同步跟隨的場合。CNC機(jī)床采用該變頻器的系統(tǒng)控制，提高了數(shù)控系統(tǒng)靈活性、擴(kuò)展性和集成性，同時易于安裝，性價比高，可以供廣大電氣同行和數(shù)控廠家參考使用。

[1] 深圳市阿爾法變頻技術(shù)有限公司.ALPHA6000E系列變頻器在數(shù)控車床行業(yè)特殊電機(jī)上的應(yīng)用[J].變頻器世界,2014(1):116-117.

[2] 劉杰,龐科旺.基于變頻器的鎖相環(huán)在恒壓供水中的應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011,11(18):4211-4214.

[3] 劉麗紅.變頻器在連桿鉆鉸螺紋數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用[J]. 制造技術(shù)于機(jī)床,2011(3):137-139.

責(zé)任編輯俞林

Analysis on the Typical Application of DL230 Inverter in CNC Machine Tools

WUYuqin

(Wuxi Communications Branch, Jiangsu Union Technical Institute, Wuxi 214151, China)

Nowadays, the use of inverter in CNC system has become an inevitable trend in manufacturing automation. Applying a machine tool spindle positioning special inverter developed from DL200 universal inverter to CNC machine tools and adopting the vector control mode, motor parameters and the self-learning function of the mechanical transmission ratio realizes the automatic-controlling functions of spindle stop, stop, followed impulsive synchronization, multipoint positioning, etc and improves the flexibility, scalability and integration of the CNC system. These measurements have better processing effect, easier installation and higher performance-to-price cost ratio.

DL230 Inverter； CNC machine tools； numerical controlled system

TM 921.51

： A

：1671-7880(2017)04-0036-03

2017-03-10

吳玉琴(1981— )，女，江蘇鎮(zhèn)江人，講師，碩士研究生，研究方向：機(jī)電一體化。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2017.04.010