前 言
　　數控車床是機電一體(ti) 化的典型產(chan) 品，是集機床、計算機、電機及其拖動、自動控製、檢測等技術為(wei) 一身的自動化設備。其中主軸運動是數控車床的一個(ge) 重要內(nei) 容，以完成切削任務，其動力約占整台車床的動力的70%～80%。基本控製是主軸的正、反轉和停止，可自動換檔和無級調速。
　　在目前數控車床中，主軸控製裝置通常是采用交流變頻器來控製交流主軸電動機。為(wei) 滿足數控車床對主軸驅動的要求，必須有以下性能:（1）寬調速範圍，且速度穩定性能要高;（2）在斷續負載下，電機的轉速波動要小;（3）加減速時間短;（4）過載能力強;（5）噪聲低、震動小、壽命長。
　　本文介紹了采用數控車床的主軸驅動中變頻控製的係統結構與(yu) 運行模式，並闡述了無速度傳(chuan) 感器的矢量變頻器的基本應用。
1 變頻器矢量控製闡述
　　70年代西門子工程師F.Blaschke首先提出異步電機矢量控製理論來解決(jue) 交流電機轉矩控製問題。矢量控製實現的基本原理是通過測量和控製異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控製，從(cong) 而達到控製異步電動機轉矩的目的。具體(ti) 是將異步電動機的定子電流矢量分解為(wei) 產(chan) 生磁場的電流分量 （勵磁電流） 和產(chan) 生轉矩的電流分量 （轉矩電流） 分別加以控製，並同時控製兩(liang) 分量間的幅值和相位，即控製定子電流矢量，所以稱這種控製方式稱為(wei) 矢量控製方式。矢量控製方式又有基於(yu) 轉差頻率控製的矢量控製方式、無速度傳(chuan) 感器矢量控製方式和有速度傳(chuan) 感器的矢量控製方式等。這樣就可以將一台三相異步電機等效為(wei) 直流電機來控製，因而獲得與(yu) 直流調速係統同樣的靜、動態性能。矢量控製算法已被廣泛地應用在 siemens，AB，GE，Fuji等國際化大公司變頻器上。
采用矢量控製方式的通用變頻器不僅(jin) 可在調速範圍上與(yu) 直流電動機相匹配，而且可以控製異步電動機產(chan) 生的轉矩。由於(yu) 矢量控製方式所依據的是準確的被控異步電動機的參數，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數，有的通用變頻器需要使用速度傳(chuan) 感器和編碼器。目前新型矢量控製通用變頻器中已經具備異步電動機參數自動檢測、自動辨識、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅動異步電動機進行正常運轉之前可以自動地對異步電動機的參數進行辨識，並根據辨識結果調整控製算法中的有關(guan) 參數，從(cong) 而對普通的異步電動機進行有效的矢量控製。
2 數控車床主軸變頻的係統結構與(yu) 運行模式
2.1 主軸變頻控製的基本原理
　　由異步電機理論可知，主軸電機的轉速公式為(wei) :
　　n=（60f/p）×（1-s）
　　其中P—電動機的極對數，s—轉差率，f—供電電源的頻率，n—電動機的轉速。從(cong) 上式可看出，電機轉速與(yu) 頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調節電機轉速，而對於(yu) 變頻器而言，其頻率的調節範圍是很寬的，可在0～400Hz（甚至更高頻率）之間任意調節，因此主軸電機轉速即可以在較寬的範圍內(nei) 調節。
　　當然，轉速提高後，還應考慮到對其軸承及繞組的影響，防止電機過分磨損及過熱，一般可以通過設定最高頻率來進行限定。

圖 2-1所示為(wei) 變頻器在數控車床的應用，其中變頻器與(yu) 數控裝置的聯係通常包括:（1）數控裝置到變頻器的正反轉信號;（2）數控裝置到變頻器的速度或頻率信號;（3）變頻器到數控裝置的故障等狀態信號。因此所有關(guan) 於(yu) 對變頻器的操作和反饋均可在數控麵板進行編程和顯示。
2.2 主軸變頻控製的係統構成
　　不使用變頻器進行變速傳(chuan) 動的數控車床一般用時間控製器確認電機轉速到達指令速度開始進刀，而使用變頻器後，機床可按指令信號進刀，這樣一來就提高了效率。如果被加工件如圖2-2所示所示形狀，則由圖2-2中看出，對應於(yu) 工件的AB段，主軸速度維持在1000rpm，對應於(yu) BC段，電機拖動主軸成恒線速度移動，但轉速卻是聯係變化的，從(cong) 而實現高精度切削。
 

在本係統中，速度信號的傳(chuan) 遞是通過數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(nei) 部關(guan) 於(yu) 輸入信號與(yu) 設定頻率的輸入輸出特性曲線的設置，數控裝置就可以方便而自由地控製主軸的速度。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，以滿足數控車床快速正反轉、自由調速、變速切削的要求。
3 無速度傳(chuan) 感器的矢量控製變頻器
3.1 主軸變頻器的基本選型
　　目前較為(wei) 簡單的一類變頻器是V/F控製（簡稱標量控製），它就是一種電壓發生模式裝置，對調頻過程中的電壓進行給定變化模式調節，常見的有線性V/F控製（用於(yu) 恒轉矩）和平方V/F控製（用於(yu) 風機水泵變轉矩）。
　　標量控製的弱點在於(yu) 低頻轉矩不夠（需要轉矩提升）、速度穩定性不好（調速範圍1:10），因此在車床主軸變頻使用過程中被逐步淘汰，而矢量控製的變頻器正逐步進行推廣。
　　所謂矢量控製，最通俗的講，為(wei) 使鼠籠式異步機像直流電機那樣具有優(you) 秀的運行性能及很高的控製性能，通過控製變頻器輸出電流的大小、頻率及其相位，用以維持電機內(nei) 部的磁通為(wei) 設定值，產(chan) 生所需要的轉矩。
　　矢量控製相對於(yu) 標量控製而言，其優(you) 點有:（1）控製特性非常優(you) 良，可以直流電機的電樞電流加勵磁電流調節相媲美;（2）能適應要求高速響應的場合;（3）調速範圍大（1:100）;（4）可進行轉矩控製。
　　當然相對於(yu) 標量控製而言，矢量控製的結構複雜、計算煩瑣，而且必須存貯和頻繁地使用電動機的參數。矢量控製分無速度傳(chuan) 感器和有速度傳(chuan) 感器兩(liang) 種方式，區別在於(yu) 後者具有更高的速度控製精度（萬(wan) 分之五），而前者為(wei) 千分之五，但是在數控車床中無速度傳(chuan) 感器的矢量變頻器的控製性能已經符合控製要求，所以這裏推薦並介紹無速度傳(chuan) 感器的矢量變頻器。
3.2 無速度傳(chuan) 感器的矢量變頻器
　　無速度傳(chuan) 感器的矢量變頻器目前包括西門子、艾默生、東(dong) 芝、日立、LG、森蘭(lan) 等廠家都有成熟的產(chan) 品推出，總結各自產(chan) 品的特點，它們(men) 都具有以下特點: （1）電機參數自動辯識和手動輸入相結合;（2）過載能力強，如50%額定輸出電流2min、180%額定輸出電流10s;（3）低頻高輸出轉矩，如 150%額定轉矩/1HZ;（4）各種保護齊全（通俗地講，就是不容易炸模塊）。
　　無速度傳(chuan) 感器的矢量控製變頻器不僅(jin) 改善了轉矩控製的特性，而且改善了針對各種負載變化產(chan) 生的不特定環境下的速度可控性。圖3-1所示，為(wei) 某品牌無速度傳(chuan) 感器變頻器產(chan) 品在低頻和正常頻段時的轉矩測試數據（電機為(wei) 5.5kW/4極）。從(cong) 圖中可知，其在低速範圍時同樣可以產(chan) 生強大的轉矩。在實驗中，我們(men) 同樣將2Hz的矢量變頻控製和V/F控製變頻進行比較發現，前者具有更強的輸出力矩，切削力幾乎與(yu) 正常頻段（如30Hz或50Hz）相同。
 

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圖3-1 無傳(chuan) 感器矢量變頻器的轉矩特性

3.3 矢量控製中的電機參數辨識
　　由於(yu) 矢量控製是著眼於(yu) 轉子磁通來控製電機的定子電流，因此在其內(nei) 部的算法中大量涉及到電機參數。從(cong) 圖3-2的異步電動機的T型等效電路表示中可以看出，電機除了常規的參數如電機極數、額定功率、額定電流外，還有R1（定子電阻）、X11（定子漏感抗）、R2（轉子電阻）、X21（轉子漏感抗）、 Xm（互感抗）和I0（空載電流）。
　　參數辨識中分電機靜止辨識和旋轉辨識2種，其中在靜止辨識中，變頻器能自動測量並計算頂子和轉子電阻以及相對於(yu) 基本頻率的漏感抗，並同時將測量的參數寫(xie) 入;在旋轉辨識中，變頻器自動測量電機的互感抗和空載電流。

圖3-2 異步電動機穩定態等效電路

　　在參數辨識中，必須注意:（1）若旋轉辨識中出現過流或過壓故障，可適當增減加減速時間;（2）旋轉辨識隻能在空載中進行;（3）如辨識前必須首先正確輸入電機銘牌的參數。
3.4 數控車床主軸變頻矢量控製的功能設置
　從(cong) 圖1-1中可以看出，使用在主軸中變頻器的功能設置分以下幾部分:
1 矢量控製方式的設定和電機參數;

2 開關(guan) 量數字輸入和輸出;
　 3 模擬量輸入特性曲線;
　 4 SR速度閉環參數設定。
4 結束語
對於(yu) 數控車床的主軸電機，使用了無速度傳(chuan) 感器的變頻調速器的矢量控製後，具有以下顯著優(you) 點:大幅度降低維護費用，甚至是免維護的;可實現高效率的切割和較高的加工精度;實現低速和高速情況下強勁的力矩輸出。
參考文獻
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