数控机床主轴驱动变频控制设计

数控机床主轴驱动变频控制设计学院：沈阳工业大学继续教育学院专业/班级：2012机械制造与制动化学号：学生姓名：石起强指导教师：于鸿2012年4月Ⅰ摘要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：主轴驱动；矢量控制；变频器Ⅱ目录摘要---------------------------------------------------------------------------------------------------------Ⅰ目录------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ⅱ第1章主轴变频器的阐述--------------------------------------------------------------------------------------11.1变频器矢量控制阐述-----------------------------------------------------------------------------------------11.2主轴驱动系统的要求-----------------------------------------------------------------------------------------21.3主轴变频器选用-----------------------------------------------------------------------------------------------3第2章数控车床主轴变频的系统结构与运行模式--------------------------------------------------------32.2主轴变频控制的系统构成-----------------------------------------------------------------------------------4第3章无速度传感器的矢量控制变频器----------------------------------------------------------------------53.1主轴变频器的基本选型--------------------------------------------------------------------------------------53.2无速度传感器的矢量变频器--------------------------------------------------------------------------------53.3矢量控制中的电机参数辨识--------------------------------------------------------------------------------63.4变频器参数调整----------------------------------------------------------------------------------------------73.4.1P1000频率设定------------------------------------------------------------------------------------73.4.2P1300控制方式设定------------------------------------------------------------------------------73.4.3电机参数设置--------------------------------------------------------------------------------------73.4.4电机识别----------------------------------------------------------------------------------------------73..5数控车床主轴变频矢量控制的功能设置---------------------------------------------------------------8第4章结束语----------------------------------------------------------------------------------------------------8致谢--------------------------------------------------------------------------------------------------------------9参考文献------------------------------------------------------------------------------------------------------------10数控机床主轴驱动变频控制设计1第1章主轴变频器的阐述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，所以数控机床主轴驱动变频控制设计2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；2、在断续负载下，电机的转速波动要小；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。数控机床主轴驱动变频控制设计31.3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数控机床主轴驱动变频控制设计4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