1、引言

數(shù)控車床是機(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)車床的動(dòng)力的70%～80%?；究刂剖侵鬏S的正、反轉(zhuǎn)和停止，可自動(dòng)換檔和無級調(diào)速。

在目前數(shù)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(dòng)機(jī)。為滿足數(shù)控車床對主軸驅(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)要小;
（3）加減速時(shí)間短;
（4）過載能力強(qiáng);
（5）噪聲低、震動(dòng)小、壽命長。

本文介紹了采用數(shù)控車床的主軸驅(qū)動(dòng)中變頻控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式，并闡述了無速度傳感器的矢量變頻器的基本應(yīng)用。

2、數(shù)控車床主軸變頻的系統(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)考慮到對其軸承及繞組的影響，防止電機(jī)過分磨損及過熱，一般可以通過設(shè)定最高頻率來進(jìn)行限定。

圖1 變頻器在數(shù)控床上的應(yīng)用

圖1所示為變頻器在數(shù)控車床的應(yīng)用，其中變頻器與數(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;
（2）數(shù)控裝置到變頻器的速度或頻率信號;
（3）變頻器到數(shù)控裝置的故障等狀態(tài)信號。因此所有關(guān)于對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)指令速度開始進(jìn)刀，而使用變頻器后，機(jī)床可按指令信號進(jìn)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(yīng)于工件的ab段，主軸速度維持在1000rpm，對應(yīng)于bc段，電機(jī)拖動(dòng)主軸成恒線速度移動(dòng)，但轉(zhuǎn)速卻是聯(lián)系變化的，從而實(shí)現(xiàn)高精度切削。

圖2 主軸變頻器系統(tǒng)構(gòu)成示意

在本系統(tǒng)中，速度信號的傳遞是通過數(shù)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(nèi)部關(guān)于輸入信號與設(shè)定頻率的輸入輸出特性曲線的設(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(shù)控車床快速正反轉(zhuǎn)、自由調(diào)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(biāo)量控制），它就是一種電壓發(fā)生模式裝置，對調(diào)頻過程中的電壓進(jìn)行給定變化模式調(diào)節(jié)，常見的有線性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(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（萬分之五），而前者為千分之五，但是在數(shù)控車床中無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(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，而且改善了針對各種負(fù)載變化產(chǎn)生的不特定環(huán)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(chǎn)品在低頻和正常頻段時(shí)的轉(zhuǎn)矩測試數(shù)據(jù)（電機(jī)為5.5kw/4極）。從圖中可知，其在低速范圍時(shí)同樣可以產(chǎn)生強(qiáng)大的轉(zhuǎn)矩。在實(shí)驗(yàn)中，我們同樣將2hz的矢量變頻控制和v/f控制變頻進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，前者具有更強(qiáng)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(zhuǎn)矩特性

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)。從圖4的異步電動(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)測量并計(jì)算頂子和轉(zhuǎn)子電阻以及相對于基本頻率的漏感抗，并同時(shí)將測量的參數(shù)寫入;在旋轉(zhuǎn)辨識(shí)中，變頻器自動(dòng)測量電機(jī)的互感抗和空載電流。

圖4 異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定態(tài)等效電路

在參數(shù)辨識(shí)中，必須注意:（1）若旋轉(zhuǎn)辨識(shí)中出現(xiàn)過流或過壓故障，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)控車床主軸變頻矢量控制的功能設(shè)置
從圖1中可以看出，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） 開關(guān)量數(shù)字輸入和輸出;
（3） 模擬量輸入特性曲線;
（4） sr速度閉環(huán)參數(shù)設(shè)定。

4、結(jié)束語

對于數(shù)控車床的主軸電機(jī)，使用了無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。