变频矢量控制在数控机床主轴驱动中的应用

摘要：本文主要介绍数控机床主轴驱动变频控制系统的结构与运行模式,阐述无速度传感器矢量控制变频器的基本应用。

数控机床电气控制系统由CNC、主轴驱动系统、进给伺服系统、检测反馈系统、强电控制系统、编程装置几部分组成。其中主轴运动是数控机床的重要内容,主要完成切削任务,其动力约占机床动力的70%～80%。正反转和准停以及自动换档无级调速是主轴的基本功能。

目前数控机床主轴驱动多采用交流主轴驱动。数控机床对主轴驱动性能有如下要求：(1)调速范围宽并实现无级调速;(2)恒线速切削;(3)高精度,传动平稳;(4)良好的抗振性和稳定性。

1数控机床主轴变频系统结构与运行模式

1.1 主轴电机变频调速原理

由主轴电机转速n=60f1(1-s)/p可知,当极对数p一定时,转速n正比于电源频率f1。连续改变电源频率,即可对电机连续调速。变频器频率调节范围宽,因此主轴电机转速可在较宽范围内调节。

当然,转速提高后,还应考虑对其轴承及绕组的影响,防止电机过分磨损及过热,一般可通过设定最高频率进行限定。

变频调速目前广泛采用交-直-交电压型变频器,其工作原理是将50Hz工频交流电整流成直流电,通过滤波、逆变,把直流电逆变成频率连续可调、输出电压可变的矩形波三相交流电。通过脉宽调制,改变输出脉冲占空比来改变输出电压。

1.2 主轴变频系统构成

如图1所示,对应于被加工件的AB段,主轴速度维持在1000r/min;对应于BC段,电机拖动主轴成恒线速,转速连续变化,实现高精度切削。

在本系统中,速度信号的传递通过数控装置到变频器的模拟给定通道,通过输入信号与设定频率的输入输出特性的设置,满足数控机床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。

2无速度传感器矢量控制变频器

2.1 主轴变频器选型

目前较为简单的变频器是V/F标量控制,它是一种电压发生装置,对调频过程中的电压进行给定变化模式调节。常见的有线性V/F和平方V/F控制。

但标量控制低频转矩不够,稳定性差,在机床主轴变频控制中逐步被矢量控制取代。

矢量控制基本原理是通过测量和控制异步电机定子电流矢量,根据磁场定向分别对励磁电流和转矩电流进行控制,实现控制转矩。具体是将定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位。

矢量控制实质是将交流电机等效成直流电机,分别对速度、磁场两个量独立控制。通过控制转子磁链,以转子磁通定向分解定子电流获得转矩和磁场分量,经坐标转换,实现解耦控制。

矢量控制力矩大,适用于重负荷及低频要保证力矩的场合,但国内厂家无法将此功能做好,不能根据负载自动调整适用。

V/F控制目前使用更普遍,一般场合可采用厂家出厂默认参数,有些厂家有列出不同负荷对应的参数设置方法,大部分变频器可自定义参数适用不同场合。

与标量控制相比,矢量控制的优点：(1)控制特性优良,足以和直流调速相媲美;(2)能实现高速响应;(3)调速范围大;(4)可进行转矩控制。

但转子磁链难以准确观测,以及矢量变换的复杂性,实际控制效果很难以达到理论分析结果。此外,必须得到转子磁链在空间上的位置才能实现解耦,需配置转子位置或速度传感器,这给应用带来不便。

矢量控制分无速度传感器和有速度传感器,后者速度控制精度更高。在数控机床中无速度传感器矢量控制已能满足要求,故这里推荐并作介绍。

2.2 无速度传感器矢量变频器

无速度传感器控制始于常规带速度传感器的传动控制,是利用检测的定子电压、电流进行速度估计以取代速度传感器。它能准确获取转速信息,保持较高精度,满足实时要求。无速度传感器控制无需检测硬件,提高了可靠性,降低了成本;使系统体积小、重量轻,应用广泛。

无速度传感器矢量变频器主要厂家有西门子、东芝、日立、LG等。总结各自产品,它们都具有的特点：(1)参数自动辩识和手动输入相结合;(2)过载能力强;(3)低频高输出转矩;(4)各种保护齐全。

无速度传感器矢量控制改善了转矩控制特性以及负载变化产生的不特定环境下的速度可控性。

2.3 电机参数辨识

电机除了常规参数如极数、额定功率、额定电流外,还有定子电阻、定子漏感抗、转子电阻、转子漏感抗、互感抗和空载电流。

参数辨识分静止辨识和旋转辨识。静止辨识中,变频器自动测算定子和转子电阻及漏感抗;旋转辨识中,变频器自动测算互感抗和空载电流。

参数辨识中,必须注意：(1)若旋转辨识中出现过流或过压,可适当增减加减速时间;(2)旋转辨识只能在空载中进行;(3)辨识前必须正确输入铭牌参数。

3结语

由上述分析可知,使用主轴变频器功能设置分以下几方面：(1)矢量控制方式和参数设定;(2)开关量输入和输出;(3)模拟量输入特性曲线;(4)SR速度闭环参数设定。

对于数控机床的主轴电机,使用无速度传感器矢量控制后,维护费用大幅降低,实现了高效率切割和高精度加工,实现了高低速情况下强力矩输出。

参考文献

[1] 杜金城.电气变频调速设计技术[M].中国电力出版社,2001.

[2] 王侃夫.数控机床控制技术与系统[M].机械工业出版社,2002.