變頻矢量控制在數控車床主軸中的應用

分類：技術教程日期：2007-12-27 00:00:00

1、引言

數控車床是機電一體化的典型產品，是集機床、計算機、電機及其拖動、自動控制、檢測等技術為一身的自動化設備。其中主軸運動是數控車床的一個重要內容，以完成切削任務，其動力約占整臺車床的動力的70%～80%。基本控制是主軸的正、反轉和停止，可自動換檔和無級調速。

在目前數控車床中，主軸控制裝置通常是采用交流變頻器來控制交流主軸電動機。為滿足數控車床對主軸驅動的要求，必須有以下性能:
（1）寬調速范圍，且速度穩定性能要高;
（2）在斷續負載下，電機的轉速波動要小;
（3）加減速時間短;
（4）過載能力強;
（5）噪聲低、震動小、壽命長。

本文介紹了采用數控車床的主軸驅動中變頻控制的系統結構與運行模式，并闡述了無速度傳感器的矢量變頻器的基本應用。

2、數控車床主軸變頻的系統結構與運行模式

2.1 主軸變頻控制的基本原理
由異步電機理論可知，主軸電機的轉速公式為:
n=（60f/p）×（1-s）
其中p—電動機的極對數，s—轉差率，f—供電電源的頻率，n—電動機的轉速。從上式可看出，電機轉速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調節電機轉速，而對于變頻器而言，其頻率的調節范圍是很寬的，可在0～400hz（甚至更高頻率）之間任意調節，因此主軸電機轉速即可以在較寬的范圍內調節。
當然，轉速提高后，還應考慮到對其軸承及繞組的影響，防止電機過分磨損及過熱，一般可以通過設定最高頻率來進行限定。

圖1 變頻器在數控床上的應用

圖1所示為變頻器在數控車床的應用，其中變頻器與數控裝置的聯系通常包括
（1）數控裝置到變頻器的正反轉信號;
（2）數控裝置到變頻器的速度或頻率信號;
（3）變頻器到數控裝置的故障等狀態信號。因此所有關于對變頻器的操作和反饋均可在數控面板進行編程和顯示。

2.2 主軸變頻控制的系統構成
不使用變頻器進行變速傳動的數控車床一般用時間控制器確認電機轉速到達指令速度開始進刀，而使用變頻器后，機床可按指令信號進刀，這樣一來就提高了效率。如果被加工件如圖2（1）所示所示形狀，則由圖2（1）中看出，對應于工件的ab段，主軸速度維持在1000rpm，對應于bc段，電機拖動主軸成恒線速度移動，但轉速卻是聯系變化的，從而實現高精度切削。

圖2 主軸變頻器系統構成示意

在本系統中，速度信號的傳遞是通過數控裝置到變頻器的模擬給定通道（電壓或電流），通過變頻器內部關于輸入信號與設定頻率的輸入輸出特性曲線的設置，數控裝置就可以方便而自由地控制主軸的速度。該特性曲線必須涵蓋電壓/電流信號、正/反作用、單/雙極性的不同配置，以滿足數控車床快速正反轉、自由調速、變速切削的要求。

3、無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
目前較為簡單的一類變頻器是v/f控制（簡稱標量控制），它就是一種電壓發生模式裝置，對調頻過程中的電壓進行給定變化模式調節，常見的有線性v/f控制（用于恒轉矩）和平方v/f控制（用于風機水泵變轉矩）。
標量控制的弱點在于低頻轉矩不夠（需要轉矩提升）、速度穩定性不好（調速范圍1:10），因此在車床主軸變頻使用過程中被逐步淘汰，而矢量控制的變頻器正逐步進行推廣。
所謂矢量控制，最通俗的講，為使鼠籠式異步機像直流電機那樣具有優秀的運行性能及很高的控制性能，通過控制變頻器輸出電流的大小、頻率及其相位，用以維持電機內部的磁通為設定值，產生所需要的轉矩。
矢量控制相對于標量控制而言，其優點有:（1）控制特性非常優良，可以直流電機的電樞電流加勵磁電流調節相媲美;（2）能適應要求高速響應的場合;（3）調速范圍大（1:100）;（4）可進行轉矩控制。
當然相對于標量控制而言，矢量控制的結構復雜、計算煩瑣，而且必須存貯和頻繁地使用電動機的參數。矢量控制分無速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，區別在于后者具有更高的速度控制精度（萬分之五），而前者為千分之五，但是在數控車床中無速度傳感器的矢量變頻器的控制性能已經符合控制要求，所以這里推薦并介紹無速度傳感器的矢量變頻器。

3.2 無速度傳感器的矢量變頻器
無速度傳感器的矢量變頻器目前包括西門子、艾默生、東芝、日立、lg、森蘭等廠家都有成熟的產品推出，總結各自產品的特點，它們都具有以下特點:（1）電機參數自動辯識和手動輸入相結合;（2）過載能力強，如50%額定輸出電流2min、180%額定輸出電流10s;（3）低頻高輸出轉矩，如150%額定轉矩/1hz;（4）各種保護齊全（通俗地講，就是不容易炸模塊）。
無速度傳感器的矢量控制變頻器不僅改善了轉矩控制的特性，而且改善了針對各種負載變化產生的不特定環境下的速度可控性。圖3所示，為某品牌無速度傳感器變頻器產品在低頻和正常頻段時的轉矩測試數據（電機為5.5kw/4極）。從圖中可知，其在低速范圍時同樣可以產生強大的轉矩。在實驗中，我們同樣將2hz的矢量變頻控制和v/f控制變頻進行比較發現，前者具有更強的輸出力矩，切削力幾乎與正常頻段（如30hz或50hz）相同。

圖3 無傳感器矢量變頻器的轉矩特性

3.3 矢量控制中的電機參數辨識
由于矢量控制是著眼于轉子磁通來控制電機的定子電流，因此在其內部的算法中大量涉及到電機參數。從圖4的異步電動機的t型等效電路表示中可以看出，電機除了常規的參數如電機極數、額定功率、額定電流外，還有r1（定子電阻）、x11（定子漏感抗）、r2（轉子電阻）、x21（轉子漏感抗）、xm（互感抗）和i0（空載電流）。
參數辨識中分電機靜止辨識和旋轉辨識2種，其中在靜止辨識中，變頻器能自動測量并計算頂子和轉子電阻以及相對于基本頻率的漏感抗，并同時將測量的參數寫入;在旋轉辨識中，變頻器自動測量電機的互感抗和空載電流。