數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)變頻器矢量控制分析

王偉國(guó)

【摘 要】對(duì)于數(shù)控車(chē)床的主軸電機(jī)，使用了無(wú)速度傳感器的變頻調(diào)速器的矢量控制后，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：大幅度降低維護(hù)費(fèi)用，甚至是免維護(hù)的；可實(shí)現(xiàn)高效率的切割和較高的加工精度；實(shí)現(xiàn)低速和高速情況下強(qiáng)勁的力矩輸出。本文介紹了采用數(shù)控車(chē)床的主軸驅(qū)動(dòng)中變頻控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式，并簡(jiǎn)述了無(wú)速度傳感器的矢量變頻器的基本應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】矢量控制；變頻器；數(shù)控車(chē)床

數(shù)控車(chē)床是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電機(jī)及其拖動(dòng)、自動(dòng)控制、檢測(cè)等技術(shù)為一身的自動(dòng)化設(shè)備。其中主軸運(yùn)動(dòng)是數(shù)控車(chē)床的一個(gè)重要內(nèi)容，以完成切削任務(wù)，其動(dòng)力約占整臺(tái)車(chē)床的動(dòng)力的70%～80%。基本控制是主軸的正、反轉(zhuǎn)和停止，可自動(dòng)換檔和無(wú)級(jí)調(diào)速。

在目前數(shù)控車(chē)床中，主軸控制裝置通常是采用交流變頻器來(lái)控制交流主軸電動(dòng)機(jī)。為滿(mǎn)足數(shù)控車(chē)床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求，必須有以下性能：（1）寬調(diào)速范圍，且速度穩(wěn)定性能要高；（2）在斷續(xù)負(fù)載下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)要??；（3）加減速時(shí)間短；（4）過(guò)載能力強(qiáng)；（5）噪聲低、震動(dòng)小、壽命長(zhǎng)。

1.變頻器矢量控制闡述

矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量（勵(lì)磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱(chēng)這種控制方式稱(chēng)為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無(wú)速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。這樣就可以將一臺(tái)三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來(lái)控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能。矢量控制算法已被廣泛地應(yīng)用在siemens，AB，GE，F(xiàn)uji等國(guó)際化大公司變頻器上。

采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時(shí)需要準(zhǔn)確地輸入異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)辨識(shí)、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。

2.數(shù)控車(chē)床主軸變頻的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式

2.1主軸變頻控制的基本原理

由異步電機(jī)理論可知，主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：n=（60f/p）×（1-s）

其中P—電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，s—轉(zhuǎn)差率，f—供電電源的頻率，n—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。從上式可看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而對(duì)于變頻器而言，其頻率的調(diào)節(jié)范圍是很寬的，可在0～400Hz（甚至更高頻率）之間任意調(diào)節(jié)，因此主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速即可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

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

變頻器在數(shù)控車(chē)床的應(yīng)用中變頻器與數(shù)控裝置的聯(lián)系通常包括：（1）數(shù)控裝置到變頻器的正反轉(zhuǎn)信號(hào)；（2）數(shù)控裝置到變頻器的速度或頻率信號(hào)；（3）變頻器到數(shù)控裝置的故障等狀態(tài)信號(hào)。因此所有關(guān)于對(duì)變頻器的操作和反饋均可在數(shù)控面板進(jìn)行編程和顯示。

2.2主軸變頻控制的系統(tǒng)構(gòu)成

不使用變頻器進(jìn)行變速傳動(dòng)的數(shù)控車(chē)床一般用時(shí)間控制器確認(rèn)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)指令速度開(kāi)始進(jìn)刀，而使用變頻器后，機(jī)床可按指令信號(hào)進(jìn)刀，這樣一來(lái)就提高了效率。

在本系統(tǒng)中，速度信號(hào)的傳遞是通過(guò)數(shù)控裝置到變頻器的模擬給定通道（電壓或電流），通過(guò)變頻器內(nèi)部關(guān)于輸入信號(hào)與設(shè)定頻率的輸入輸出特性曲線(xiàn)的設(shè)置，數(shù)控裝置就可以方便而自由地控制主軸的速度。該特性曲線(xiàn)必須涵蓋電壓/電流信號(hào)、正/反作用、單/雙極性的不同配置，以滿(mǎn)足數(shù)控車(chē)床快速正反轉(zhuǎn)、自由調(diào)速、變速切削的要求。

3.無(wú)速度傳感器的矢量控制變頻器

3.1主軸變頻器的基本選型

目前較為簡(jiǎn)單的一類(lèi)變頻器是V/F控制（簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)量控制），它就是一種電壓發(fā)生模式裝置，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(xiàn)性V/F控制（用于恒轉(zhuǎn)矩）和平方V/F控制（用于風(fēng)機(jī)水泵變轉(zhuǎn)矩）。

標(biāo)量控制的弱點(diǎn)在于低頻轉(zhuǎn)矩不夠（需要轉(zhuǎn)矩提升）、速度穩(wěn)定性不好（調(diào)速范圍1：10），因此在車(chē)床主軸變頻使用過(guò)程中被逐步淘汰，而矢量控制的變頻器正逐步進(jìn)行推廣。

所謂矢量控制，最通俗的講，為使鼠籠式異步機(jī)像直流電機(jī)那樣具有優(yōu)秀的運(yùn)行性能及很高的控制性能，通過(guò)控制變頻器輸出電流的大小、頻率及其相位，用以維持電機(jī)內(nèi)部的磁通為設(shè)定值，產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)矩。

矢量控制相對(duì)于標(biāo)量控制而言，其優(yōu)點(diǎn)有：（1）控制特性非常優(yōu)良，可以直流電機(jī)的電樞電流加勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)相媲美；（2）能適應(yīng)要求高速響應(yīng)的場(chǎng)合；（3）調(diào)速范圍大（1：100）；（4）可進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。

當(dāng)然相對(duì)于標(biāo)量控制而言，矢量控制的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算煩瑣，而且必須存貯和頻繁地使用電動(dòng)機(jī)的參數(shù)。矢量控制分無(wú)速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，區(qū)別在于后者具有更高的速度控制精度（萬(wàn)分之五），而前者為千分之五，但是在數(shù)控車(chē)床中無(wú)速度傳感器的矢量變頻器的控制性能已經(jīng)符合控制要求，所以這里推薦并介紹無(wú)速度傳感器的矢量變頻器。

3.2無(wú)速度傳感器的矢量變頻器

無(wú)速度傳感器的矢量變頻器目前包括西門(mén)子、艾默生、東芝、日立、LG、森蘭等廠家都有成熟的產(chǎn)品推出，總結(jié)各自產(chǎn)品的特點(diǎn)，它們都具有以下特點(diǎn)：（1）電機(jī)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)，如50%額定輸出電流2min、180%額定輸出電流10s；（3）低頻高輸出轉(zhuǎn)矩，如150%額定轉(zhuǎn)矩/1HZ；（4）各種保護(hù)齊全（通俗地講，就是不容易炸模塊）。

無(wú)速度傳感器的矢量控制變頻器不僅改善了轉(zhuǎn)矩控制的特性，而且改善了針對(duì)各種負(fù)載變化產(chǎn)生的不特定環(huán)境下的速度可控性。

3.3矢量控制中的電機(jī)參數(shù)辨識(shí)

由于矢量控制是著眼于轉(zhuǎn)子磁通來(lái)控制電機(jī)的定子電流，因此在其內(nèi)部的算法中大量涉及到電機(jī)參數(shù)。從異步電動(dòng)機(jī)的T型等效電路表示中可以看出，電機(jī)除了常規(guī)的參數(shù)如電機(jī)極數(shù)、額定功率、額定電流外，還有R1（定子電阻）、X11（定子漏感抗）、R2（轉(zhuǎn)子電阻）、X21（轉(zhuǎn)子漏感抗）、Xm（互感抗）和I0（空載電流）。

參數(shù)辨識(shí)中分電機(jī)靜止辨識(shí)和旋轉(zhuǎn)辨識(shí)2種，其中在靜止辨識(shí)中，變頻器能自動(dòng)測(cè)量并計(jì)算頂子和轉(zhuǎn)子電阻以及相對(duì)于基本頻率的漏感抗，并同時(shí)將測(cè)量的參數(shù)寫(xiě)入；在旋轉(zhuǎn)辨識(shí)中，變頻器自動(dòng)測(cè)量電機(jī)的互感抗和空載電流。

在參數(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)壓故障，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）如辨識(shí)前必須首先正確輸入電機(jī)銘牌的參數(shù)。

3.4數(shù)控車(chē)床主軸變頻矢量控制的功能設(shè)置

使用在主軸中變頻器的功能設(shè)置分以下幾部分：

（1）矢量控制方式的設(shè)定和電機(jī)參數(shù)。

（2）開(kāi)關(guān)量數(shù)字輸入和輸出。

（3）模擬量輸入特性曲線(xiàn)。

（4）SR速度閉環(huán)參數(shù)設(shè)定。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王侃夫.數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

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