論變頻器與交流主軸驅(qū)動(dòng)器

龔仲華

(常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213164)

通用型變頻器與交流主軸驅(qū)動(dòng)器是目前常用的數(shù)控機(jī)床主軸速度控制裝置。前者就是人們平時(shí)常說(shuō)的“變頻器”，這是一種可用于不同廠家生產(chǎn)、不同參數(shù)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制的通用變頻調(diào)速裝置，也可以用于經(jīng)濟(jì)型CNC機(jī)床的主軸速度控制;后者是指需要與CNC配套使用、用于全功能型數(shù)控機(jī)床的專用主軸變頻調(diào)速裝置。鑒于有較多的人對(duì)兩者的性能區(qū)別尚不十分清楚，因此，在選配數(shù)控系統(tǒng)、購(gòu)買數(shù)控機(jī)床時(shí)可能會(huì)過(guò)多地考慮價(jià)格因素，導(dǎo)致在實(shí)際加工與使用時(shí)產(chǎn)生了各種問(wèn)題。本文將對(duì)此進(jìn)行論述，以供同行參考。

1 結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

變頻器與交流主軸驅(qū)動(dòng)器都是用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制器;均采用全數(shù)字控制、PWM變頻技術(shù);主回路均為“交-直-交”P(pán)WM變頻的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);所使用的電力電子器件以第三代“復(fù)合型”器件IGBT為主導(dǎo)。因此，它們?cè)谡{(diào)速原理、控制對(duì)象、控制技術(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率器件方面并無(wú)區(qū)別，這是它們的主要共同點(diǎn)。

變頻器的最大特點(diǎn)是可用于不同廠家、不同參數(shù)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制，其價(jià)格便宜、使用簡(jiǎn)單、調(diào)試方便，故廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域。但正因?yàn)槿绱?，變頻器在設(shè)計(jì)時(shí)就無(wú)法預(yù)知控制對(duì)象(電動(dòng)機(jī))的參數(shù)，電動(dòng)機(jī)模型需要進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化與近似處理，其調(diào)速范圍一般較小，調(diào)速性能也較差。

交流主軸驅(qū)動(dòng)器本質(zhì)上也是變頻器，但它必須與生產(chǎn)廠家專門(mén)設(shè)計(jì)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(稱為主軸電動(dòng)機(jī))配套使用，電動(dòng)機(jī)出廠時(shí)經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的測(cè)試與試驗(yàn)，同規(guī)格電動(dòng)機(jī)的參數(shù)十分接近。因此，可根據(jù)精確的數(shù)學(xué)模型利用閉環(huán)矢量控制對(duì)其進(jìn)行精確控制，其調(diào)速性能好，且具有轉(zhuǎn)矩與位置控制功能。由于此類產(chǎn)品常用于數(shù)控機(jī)床主軸的大范圍、精確調(diào)速，故稱為“交流主軸驅(qū)動(dòng)器”。

2 輸出特性

圖1為國(guó)外某著名公司對(duì)變頻器控制60 Hz/4極通用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(V/f控制，矢量控制與電動(dòng)機(jī)密切相關(guān)，性能有所提高但難以定量比較)與交流主軸驅(qū)動(dòng)器控制主軸電動(dòng)機(jī)的輸出特性實(shí)測(cè)結(jié)果。(V/f為英文電壓/頻率(Voltage/frequency)首字母的縮寫(xiě)，在國(guó)外無(wú)一例外地以V/f表示，但在國(guó)內(nèi)常被表示為U/f控制，本文采用的是國(guó)際通用表示法。)

由圖1可見(jiàn)，交流主軸驅(qū)動(dòng)由于使用了專用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，不僅可以在額定轉(zhuǎn)速以下區(qū)域進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，而且還可通過(guò)定子磁鏈的控制進(jìn)行弱磁升速，使得額定轉(zhuǎn)速以上區(qū)域具有恒功率調(diào)速特性。但變頻器的輸出特性無(wú)規(guī)律，理論上只能在額定頻率的點(diǎn)上才能輸出額定轉(zhuǎn)矩與功率;而在整個(gè)調(diào)速范圍上的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩只有額定值的50%左右，因此，使用時(shí)必須留有足夠的余量。

引起變頻器低速輸出轉(zhuǎn)矩減小的一個(gè)重要原因是通用電動(dòng)機(jī)沒(méi)有獨(dú)立的冷卻風(fēng)機(jī)，它需要依靠轉(zhuǎn)子軸上的風(fēng)機(jī)進(jìn)行“自通風(fēng)”。隨著轉(zhuǎn)速的下降，其冷卻能力將顯著下降，從而導(dǎo)致了電動(dòng)機(jī)工作電流的減小。為此，采用帶有獨(dú)立冷卻風(fēng)機(jī)的變頻電動(dòng)機(jī)是增大調(diào)速系統(tǒng)低速輸出轉(zhuǎn)矩的有效措施。

3 調(diào)速范圍與精度

調(diào)速范圍是衡量系統(tǒng)變速能力的指標(biāo)，交流主軸系統(tǒng)用額定負(fù)載下實(shí)際可以達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速之比來(lái)衡量，額定轉(zhuǎn)速以下區(qū)域?yàn)楹戕D(zhuǎn)矩調(diào)速，額定轉(zhuǎn)速以上區(qū)域?yàn)楹愎β收{(diào)速。但采用變頻器控制的主軸在確定調(diào)速范圍時(shí)需要注意以下兩點(diǎn):

(1)調(diào)速范圍不是變頻器的頻率控制范圍。變頻器的實(shí)際調(diào)速范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于頻率控制范圍，因?yàn)槿绻冾l器的輸出頻率低于2 Hz，電動(dòng)機(jī)無(wú)法輸出正常運(yùn)行所需的轉(zhuǎn)矩。即使像三菱公司最先進(jìn)的FR-A740系列變頻器，其頻率控制范圍可達(dá) 0.01～400 Hz(1∶40 000)，但采用開(kāi)環(huán)V/f控制下，雖可以通過(guò)低頻轉(zhuǎn)矩增大輸出轉(zhuǎn)矩，然而其實(shí)際有效的調(diào)速范圍一般也只有1∶20左右。

(2)確定變頻器調(diào)速范圍不能增加“額定負(fù)載”約束條件。由圖1可見(jiàn)，采用V/f控制的變頻器只有在額定頻率的點(diǎn)上才能輸出額定轉(zhuǎn)矩與功率。因此，不同公司對(duì)變頻器的調(diào)速范圍定義有所不同。三菱等公司一般將變頻器能短時(shí)輸出150%轉(zhuǎn)矩的范圍作為調(diào)速范圍;而安川等公司則將連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩大于規(guī)定值(如50%Me)的范圍定義為調(diào)速范圍。因而，采用變頻器控制主軸時(shí)應(yīng)按照連續(xù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的2倍來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)與變頻器。

變頻器與交流主軸驅(qū)動(dòng)器的調(diào)速精度定義方式同樣不同，變頻器大多采用開(kāi)環(huán)控制，其調(diào)速精度是指控制4極感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、在額定負(fù)載下所產(chǎn)生的速降與電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速之比;而交流主軸驅(qū)動(dòng)器通常為閉環(huán)控制，其調(diào)速精度是指主軸電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下所產(chǎn)生的速降與最高轉(zhuǎn)速之比。調(diào)速精度與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，一般而言，在同樣的控制方式下(V/f控制或矢量控制)，采用閉環(huán)控制后的調(diào)速精度可比開(kāi)環(huán)提高10倍。

4 動(dòng)態(tài)性能

交流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能可以用速度響應(yīng)、啟/制動(dòng)特性等指標(biāo)衡量，變頻器與交流主軸驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)性能差距很大。

(1)速度響應(yīng) 是衡量交流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的重要技術(shù)指標(biāo)，它是指系統(tǒng)在負(fù)載慣量與電動(dòng)機(jī)慣量相等的前提下，當(dāng)速度指令以正弦波形式給定時(shí)，輸出可以完全跟蹤給定變化的正弦波頻率值?！八俣软憫?yīng)”有時(shí)也稱“頻率響應(yīng)”，分別用rad/s或Hz兩種不同的單位表示，轉(zhuǎn)換關(guān)系為1 Hz=2π rad/s。一般而言，V/f控制的變頻器速度響應(yīng)通常只能達(dá)到10～20 rad/s;而交流主軸驅(qū)動(dòng)器則可達(dá)300 rad/s以上。

(2)過(guò)載性能 變頻器與交流主軸驅(qū)動(dòng)器的過(guò)載性能差別較大，變頻器的短時(shí)過(guò)載能力一般在100%～150%左右，而交流主軸驅(qū)動(dòng)器則可達(dá)到150% ～200%。

(3)制動(dòng)性能 交流主軸驅(qū)動(dòng)器與變頻器所使用的都是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，它們都不像交流伺服電動(dòng)機(jī)那樣轉(zhuǎn)子安裝有永久磁鐵、可以產(chǎn)生固定的磁場(chǎng)。因此，在轉(zhuǎn)速為零時(shí)均無(wú)“零速鎖定”轉(zhuǎn)矩輸出;但是，對(duì)于閉環(huán)位置控制的交流主軸驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，由于位置調(diào)節(jié)器的增益可做得很高，電動(dòng)機(jī)如果在零位附近產(chǎn)生位置偏移，可以產(chǎn)生較大的恢復(fù)力矩。

5 其他

變頻器是用于通用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制的調(diào)速裝置，生產(chǎn)量大、應(yīng)用范圍廣，可控制的最大電動(dòng)機(jī)功率可達(dá)630 kW;而交流主軸驅(qū)動(dòng)器多用于數(shù)控機(jī)床的主軸控制，其功率范圍一般在100 kW以下。

交流主軸驅(qū)動(dòng)器是針對(duì)特定電動(dòng)機(jī)的專用控制器，驅(qū)動(dòng)器與電動(dòng)機(jī)原則上需要一一對(duì)應(yīng)。變頻器是一種通用產(chǎn)品，對(duì)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)無(wú)太多要求，只要變頻器容量允許，同一變頻器可控制不同功率的電動(dòng)機(jī)，如利用7.5 kW的變頻器控制3.7 kW或5.5 kW的電動(dòng)機(jī)不但可行、而且還可以經(jīng)常使用;此外，還可通過(guò)電路的切換用同一變頻器來(lái)控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)(稱1∶n控制)。

表1 變頻器與交流主軸驅(qū)動(dòng)器的性能比較表

在控制理論與方式上，不同變頻器有V/f控制、簡(jiǎn)單矢量控制、先進(jìn)磁通矢量控制、電流矢量控制等多種提法。但是，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(特別是通用電動(dòng)機(jī))的矢量控制是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題，其性能在很大程度上決定于磁通的精確預(yù)測(cè)。為此，出現(xiàn)了基于定子電壓/電流的磁通觀測(cè)器模型(開(kāi)環(huán)電壓模型法)、基于定子電流與速度的磁通觀測(cè)器模型(開(kāi)環(huán)電流模型法)，及閉環(huán)的基于電流誤差的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器模型、基于自適應(yīng)理論的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器模型、龍貝格全價(jià)狀態(tài)觀測(cè)器模型等種類繁多的控制方案。這些控制方案都可在一定程度上改善變頻器調(diào)速性能，但至今還沒(méi)有形成一種為世人所公認(rèn)的最佳控制方案，在此不再一一說(shuō)明。

表1是當(dāng)前階段變頻器與交流主軸驅(qū)動(dòng)器的主要性能比較表，可供設(shè)計(jì)與選型參考。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，交流主軸驅(qū)動(dòng)器由于需要配套專用電動(dòng)機(jī)，其價(jià)格較高，但調(diào)速性能好，精度高，適合于高速高精度數(shù)控機(jī)床的主軸控制;而變頻器雖然具有使用方便、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，但只能用于要求不高的經(jīng)濟(jì)型CNC機(jī)床主軸控制，且在設(shè)計(jì)與選用時(shí)要考慮足夠的余量。作為機(jī)床生產(chǎn)廠家與用戶必須清醒地認(rèn)識(shí)到:以變頻器控制通用電動(dòng)機(jī)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)CNC機(jī)床高速高精度的速度/位置控制，在目前階段還只是人們對(duì)變頻器的期望。