3G3RX变频器在数控车床主轴中的应用.docx

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3G3RX变频器在数控车床主轴中的应用

题目：

变频器在车床主轴中的应用

系（部）：

机电工程系

专业名称：

机电一体化

姓名：

准考证号：

班级名称：

09机修技师班

指导老师：

提交时间：

摘要

本文介绍了采用车床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并阐述了无速度传感器的矢量变频器的基本应用。

并通过使用3G3RX无速度传感器的变频器后，得出以下显著优点：

大幅度降低维护费用，甚至是免维护的；可实现高效率的切割和较高的加工精度;实现低速和高速情况下强劲的力矩输出。

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，在车床中无速度传感器的矢量变频器已符合控制要求，

关键词：

矢量控制；变频器；车床

目录

一、前言1

1.1调速范围要宽1

1.2低速时大转矩输出1

1.3速度和功率不断提高1

二、车床主轴变频的系统结构与运行模式1

2.1主轴变频器的控制原理1

2.2车床主轴变频控制的方式2

2.3主轴变频控制的系统构成4

三、3G3RX变频器的主轴应用4

3.1主轴变频器的基本选型4

3.2无速度传感器的矢量变频器5

3.3主轴变频控制中的电机参数调整6

四、 变频器控制方式 6

4.1 U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式 6

4.2电压空间矢量（SVPWM）控制方式 6

4.3矢量控制（VC）方式6

4.4 直接转矩控制（DTC）方式 7

4.5矩阵式交—交控制方式 7

结论8

致谢9

参考文献10

变频器在车床主轴中的应用

一、前言

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%。

机床的技术水平依赖于进给和主轴传动系统的性能，对于主轴传动来说，主要有下述要求：

1.1调速范围要宽

　　调速范围r是主轴电动机的最高转速与最低转速之比，即r=nmax/nmin。

为适应不同零件及不同加工工艺方法对主轴参数的要求，机床的主轴传动系统应能在很宽的范围内实现调速。

1.2低速时大转矩输出

　　机床切削加工，一般低速时为大切削量（切削深度和宽度），要求主轴传动系统在低速运行时，要有大的输出转矩。

1.3速度和功率不断提高

　　随着生产力的不断提高，机床结构的改进，加工范围的扩大，要求机床主轴的速度和功率也不断提高，主轴的转速范围也不断的扩大，主轴的恒功率调速范围更大，并有自动换刀的主轴准停功能等。

　　本文介绍了采用车床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并阐述了欧姆龙3G3RX变频器的基本应用。

二、车床主轴变频的系统结构与运行模式

2.1主轴变频器的控制原理

　　车床主轴的基本控制是主轴的正、反转和停止，同时自动换档和无级调速。

在目前车床中，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。

其工作原理如下：

图1交流变频主轴驱动原理框图

　　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。

2.2车床主轴变频控制的方式

　　图2所示为变频器在车床的应用，其中变频器与装置的联系通常包括：

（1）装置到变频器的正反转信号;

（2）装置到变频器的速度或频率信号;（3）变频器到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面板进行编程和显示。

图2变频器在车床上的应用

　　图3是华中HNC-21与主轴变频器的具体接线图，HNC-21通过XS9主轴接口中的模拟量输出可控制主轴转速，当主轴模拟量的输出范围为-10V～+10V，用于双极性速度指令输入主轴驱动单元或变频器，这时采用使能信号控制主轴的启、停。

当主轴模拟量的输出范围为0～+10V，用于单极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用主轴正转、主轴反转信号控制主轴的正、反转。

模拟电压的值由用户PLC程序送到相应接口的数字量决定。

图3装置与主轴变频器的接线图

2.3主轴变频控制的系统构成

不使用变频器进行变速传动的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。

如果被加工件呈图4

（1）所示形状，则由图中看出，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。

图4主轴变频器系统构成示意

在本系统中，速度信号的传递是通过装置HNC-21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，装置就可以方便而自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，以满足车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。

三、3G3RX变频器的主轴应用

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欧姆龙、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2分钟、180%额定输出电流10秒;（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）。

图5无传感器矢量变频器的转矩特性

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5所示，为3G3RX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5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。

3.3主轴变频控制中的电机参数调整

　　为了确保主轴变频器在切削过程中能正常运行，应该根据表1中的要求进行适时调整。

表1主轴变频器参数调整项目

四、 变频器控制方式 

　　低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交直交电路。

其控制方式经历了以下四代。

4.1 U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式 

　　其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。

但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。

另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。

因此人们又研究出矢量控制变频调速。

4.2电压空间矢量（SVPWM）控制方式 

　　它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。

经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。

但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。

4.3矢量控制（VC）方式 

　　矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。

其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。

通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。

矢量控制方法的提出具有划时代的意义。

然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

4.4 直接转矩控制（DTC）方式 

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。

该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。

目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。

　　直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。

它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

4.5矩阵式交—交控制方式 

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交－直－交变频中的一种。

其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。

为此，矩阵式交－交变频应运而生。

由于矩阵式交－交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。

它能实现功率因数为l，输入