数控机床主轴驱动变频控制设计Word格式文档下载.docx

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数控车床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及其拖动、自动控制、检测等技术为一身的自动化设备。

其中主轴运动是数控车床的一个重要内容，以完成切削任务，其动力约占整台车床的动力的70%～80%。

基本控制是主轴的正、反转和停止，可自动换档和无级调速。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。

在目前数控车床中，主轴控制装置通常是采用交流变频器来控制交流主轴电动机。

为满足数控车床对主轴驱动的要求，必须有以下性能:

1、宽调速范围，且速度稳定性能要高；

2、在断续负载下，电机的转速波动要小；

3、加减速时间短；

4、过载能力强；

5、噪声低、震动小、寿命长。

主轴驱动系统控制数控车床主轴的旋转运动，为车床主轴提供驱动功率以及所需的切削力。

目前在数控车床中，主轴驱动常使用交流电动机，直流电动机已逐渐被淘汰，由于受永磁体的限制，交流同步电动机功率做得很大时，电动机成本太高。

因此目前在数控机床的主轴驱动中，均采用笼型异步电动机。

为了获得良好的主轴特性，设计中采用矢量变频控制的交流主轴电动机，矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，后者具有更高的速度控制精度，在数控车床中无速度传感器的矢量变频器已符合控制要求，因此，本设计中变频器采用无速度传感器的矢量变频器。

1.1变频器矢量控制阐述

70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。

矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。

具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以

称这种控制方式称为矢量控制方式。

矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。

这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。

矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。

采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。

由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。

目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。

1.2主轴驱动系统的要求

在切削过程中，工件与刀具的相互作用形成负载转矩。

理论上讲，切削功率用于切削金属的剥落和变形，故切削力正比于切削的材料性质和截面积，而截面积由切削深度和走刀量决定。

切削转矩则取决于切削力和工件回转半径的乘积，其大小与切削深度、进刀量、工件的材质等因素有关。

这使得数控车床主轴系统负载具有如下特点：

1、在大的转速范围内，数控车床允许切削深度与进刀量都是相等的，因而具有恒转矩性质。

2、在高速段，受床身机械强度及振动等影响，速度越高，允许的切削深度和进刀量越小，负载转矩也越小，因此具有恒功率性质。

数控车床要求主轴输出功率大，调速范围足够大，并具有主轴与进给驱动同步控制、准停控制、角度分度控制等控制功能。

为满足上述数控要求，首先主轴电动机应具备以下性能：

1、电机功率大，且在调速范围内速度稳定，恒功率调速范围宽；

3、加、减速时间短；

4、电动机过载能力强；

5、噪声低、温升低、震动小、寿命长。

1.3主轴变频器选用

矢量控制法可使交流电动机变频调速后的机械特性和动态性能足以和直流电动机相比。

而无速度传感器的矢量控制变频器不仅能够改善转矩控制的特性，而且能够改善针对各种负载变化产生的不同环境下的速度可控性。

将2Hz的矢量变频控制和V/F控制变频进行比较可发现前者具有更强的输出力矩，切削力几乎与正常频段相同。

矢量控制模式可提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力。

主要具有以下特点：

1、变频器效率96%至97%；

2、过载能力强，内置制动单元，5分钟内持续时间60秒150%（恒转矩）负载电流过载，或1分钟内持续3秒200%过载；

3、起动冲击电流小于额定输入电流；

4、各种保护齐全。

由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流，因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。

电机除了考虑常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还应考虑定子电阻、定子漏感抗、转子电阻、转子漏感抗、互感抗和空载电流。

第2章数控车床主轴变频的系统结构与运行模式

由地控制主轴的速度。

该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置，以满足主轴变频控制的基本原理。

由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为:

n=（60f/p）×

（1-s）

其中P—电动机的极对数，s—转差率，f—供电电源的频率，n—电动机的转速。

从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0～400Hz（甚至更高频率）之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。

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

如图2—1

图2-1变频器在数控床上的应用

图2-1中，变频器与数控装置的联系通常包括：

1、数控装置到变频器的正反转信号;

2、数控装置到变频器的速度或频率信号;

3、变频器到数控装置的故障等状态信号。

因此所有关于对变频器的操作和反馈均可在数控面板进行编程和显示。

2.2主轴变频控制的系统构成

不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀，而使用变频器后，机床可按指令信号进刀，这样一来就提高了效率。

如果被加工件如图2-2所示所示形状，则由图2-2中看出，对应于工件的AB段，主轴速度维持在1000rpm，对应于BC段，电机拖动主轴成恒线速度移动，但转速却是联系变化的，从而实现高精度切削。

主轴变频器系统构成示意如图2—2

图2-2主轴变频器系统构成示意图

在本系统中，速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定通道（电压或电流），通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置，数控装置就可以方便而自数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。

第3章无速度传感器的矢量控制变频器

3.1主轴变频器的基本选型

目前较为简单的一类变频器是V/F控制（简称标量控制），它就是一种电压发生模式装置，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控制（用于恒转矩）和平方V/F控制（用于风机水泵变转矩）。

标量控制的弱点在于低频转矩不够（需要转矩提升）、速度稳定性不好（调速范围1:

10），因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰，而矢量控制的变频器正逐步进行推广。

所谓矢量控制，最通俗的讲，为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能，通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位，用以维持电机内部的磁通为设定值，产生所需要的转矩。

矢量控制相对于标量控制而言，其优点有：

1、控制特性非常优良，可以直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美；

2、能适应要求高速响应的场合；

3、调速范围大（1:

100）；

4、可进行转矩控制。

当然相对于标量控制而言，矢量控制的结构复杂、计算烦琐，而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。

矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，区别在于后者具有更高的速度控制精度（万分之五），而前者为千分之五，但是在数控车床中无速度传感器的矢量变频器的控制性能已经符合控制要求，所以这里推荐并介绍无速度传感器的矢量变频器。

3.2无速度传感器的矢量变频器

无速度传感器的矢量变频器目前包括西门子、艾默生、东芝、日立、LG、森兰等厂家都有成熟的产品推出，总结各自产品的特点，它们都具有以下特点：

1、电机参数自动辩识和手动输入相结合；

2、过载能力强，如50%额定输出电流2min、180%额定输出电流10s；

3、低频高输出转矩，如150%额定转矩/1HZ；

4、各种保护齐全（通俗地讲，就是不容易炸模块）。

无速度传感器的矢量控制变频器不仅改善了转矩控制的特性，而且改善了针对各种负载变化产生的不特定环境下的速度可控性。

图3-1所示，为某品牌无速度传感器变频器产品在低频和正常频段时的转矩测试数据（电机为5.5kW/4极）。

从图中可知，其在低速范围时同样可以产生强大的转矩。

在实验中，我们同样将2Hz的矢量变频控制和V/F控制变频进行比较发现，前者具有更强的输出力矩，切削力几乎与正常频段（如30Hz或50Hz）相同。

如图3-1

图3-1无传感器矢量变频器的转矩特性

3.3矢量控制中的电机参数辨识

从图3-2的异步电动机的T型等效电路表示中可以看出，电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还有R1（定子电阻）、X11（定子漏感抗）、R2（转子电阻）、X21（转子漏感抗）、Xm（互感抗）和I0（空载电流）。

参数辨识中分电机静止辨识和旋转辨识2种，其中在静止辨识中，变频器能自动测量并计算顶子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入;

在旋转辨识中，变频器自动测量电机的互感抗和空载电流。

如图3-2

图3-2异步电动机稳定态等效电路

在参数辨识中，必须注意：

1、若旋转辨识中出现过流或过压故障，可适当增减加减速时间；

2、旋转辨识只能在空载中进行；

3、如辨识前必须首先正确输入电机铭牌的参数。

3.4　变频器参数调整

3.4.1P1000频率设定

模拟量输入AIN1可接收0-10V，1-20mA或-10V-+10V的信号，该参数缺省值为2，此时选择0-10V范围，对应频率范围0-50HZ/60HZ。

3.4.2P1300控制方式设定

将变频器P1300参数设置为20，控制方式则设定为无传感器矢量控制方式。

3.4.3电机参数设置

　　1、P1120斜坡上升时间

　　2、P1121斜坡下降时间

3、P0304电机额定电压

　　4、P0305电机额定电流

　　5、P0307电机额定功率

　　6、P0308电机额定功率因数

　　7、P0310电机额定频率

　　8、P0311电机额定速度

电机各项额定参数设置应以电机铭牌为准。

3.4.4电机识别

将P1910=1后，BOP面板显示A501，表示现在正在做电机辨识计算，应启动变频器ON信号，辨识过程大约3-5分钟。

当变频器自动OFF后，表示识别通过。

使用MM440变频器必须进行建模，对电机进行识别。

即必须将P1910设置

为1。

否则运行参数与实际电机模型不符，工作会不正常。

交流控制有别于直流控制的特点之一就是需要在控制器里对受控电机进行建模。

3..5数控车床主轴变频矢量控制的功能设置

使用在主轴中变频器的功能设置分以下几部分：

1、矢量控制方式的设定和电机参数；

2、开关量数字输入和输出；

3、模拟量输入特性曲线；

4、SR速度闭环参数设定。

第4章结束语

使用变频器后，取消了离合器、齿轮等机械变速部分，维护更加方便。

不使用变频器进行调速的数控车床一般使用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀，使用变频器后，实现了无级变速，可做到恒线速加工，机床可按指令信号进刀，缩短了加工周期，提高了生产效率；

机床速度再现性好，产品质量稳定；

且容易实现高速运转，可高效率的加工铝等软工件；

但由于速度可调范围大，需要考虑与机械部件匹配防止谐振；

由于制动电阻的大小是根据减速频率决定的，应以最繁重的运行模式来选择。

致谢

在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师于老师的热情关怀和悉心指导。

在我撰写论文的过程中，于老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到牟老师悉心细致的教诲和无私的帮助，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。

在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，在此一并致以诚挚的感谢。

最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心的感谢！

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