变频矢量控制在数控车床主轴中的应用

【专题研讨】　变频矢量控制在数控车床主轴中的应用　杜宏艳　（河北唐山迁安市电力公司’河北迁安０６４４００）　摘要：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。本文介绍了采用数控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。　关键词：数控机床结构　一、数控车床主轴变频的系统结构与运行模式　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　（一）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是电动机的极对数，ｓ是转差率，　供电电源　的频率，ｎ是电动机的转速。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　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。这里推荐并介绍无速　度传感器的矢量变频器。　（二）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　’　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　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　机参数自动辨识和手动输入相结合；②过载能力强，如　定。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　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）。　（三）矢量控制中的电机参数辨识　频率信号；③变频器到数控装置的故障等状态信号。　（二）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　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。　从异步电动机的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１０（空载电流）。参数辨识　中分电机静止辨识和旋转辨识两种。其中在静止辨识　了效率。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，以满足数控车床快速正反转、自由调　速、变速切削的要求。　二、无速度传感器的矢量控制变频器　（一）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　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。　对于数控车床的主轴电机，使用了无速度传感器　的变频调速器的矢量控制后，具有以下显著优点：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］一精度；实现低速和高速情况下强劲的　力矩输出。　参考文献：・　１．王侃夫．数控机床控制技术与系统【Ｍ】．北京：机械工业出　版社．２００２　的电压进行给定变化模式调节，常见的有线性Ｖ／Ｆ１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，通俗地讲是为使鼠笼式异　１６８—