許蔡輝 麥智煒 王碧瀅

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司，廣東佛山順德 528311)

淺析交流主軸電機(jī)的變頻器控制

許蔡輝 麥智煒 王碧瀅

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司，廣東佛山順德 528311)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)跀?shù)控機(jī)床的加工精度要求越來(lái)越高，以勝任更復(fù)雜的產(chǎn)品加工制造需要。雖然在這方面已經(jīng)取得了不小的成就，但是仍面臨一些問(wèn)題和存在不足，仍然需要加深對(duì)數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制。本文對(duì)交流主軸電機(jī)的變頻器控制進(jìn)行了分析。

數(shù)控機(jī)床；交流主軸電機(jī)；控制

數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為機(jī)床最核心的關(guān)鍵部件之一，其輸出性能對(duì)數(shù)控機(jī)床的整體水平是至關(guān)重要的。在加工過(guò)程中，主軸驅(qū)動(dòng)為了維持恒定、最優(yōu)的切削速度，必須相應(yīng)于切削半徑的變化連續(xù)地調(diào)速，以確保加工的穩(wěn)定性和較高的生產(chǎn)率。當(dāng)加工部件的切削內(nèi)、外半徑相差很大時(shí)，主軸速度的變化將達(dá)到幾倍，甚至十幾倍，在如此快速的變化下很難做到對(duì)系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，這就需要采取措施適當(dāng)?shù)膶?duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速。不難看出，主軸驅(qū)動(dòng)需要對(duì)速度精度、動(dòng)態(tài)剛度具有很高的要求，而且要求連續(xù)輸出的高轉(zhuǎn)矩能力和非常寬的恒功率運(yùn)行范圍。交流主軸電機(jī)作為核心器件，它是保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，能夠很好的提高系統(tǒng)的整體工作效率的同時(shí)又減少運(yùn)行成本的支出，這時(shí)最理想的方式就是選擇變頻器來(lái)進(jìn)行調(diào)速控制，簡(jiǎn)化了操作流程，便于后期的保養(yǎng)和維修。在實(shí)際的工作中需要結(jié)合機(jī)床主軸的性能選擇適合的控制方法，這樣才能提高變頻交流主軸電機(jī)的性能。

1 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)概述

在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，由工業(yè)微機(jī)IPC、進(jìn)給控制、輔助控制和主軸轉(zhuǎn)速控制四個(gè)基本部分組成。它們通過(guò)工業(yè)微機(jī)IPC的外部總線連接在一起，依靠雙端口RAM傳輸數(shù)據(jù)。工業(yè)微機(jī)IPC是系統(tǒng)的核心，它的主要功能為提供可視化的人機(jī)操作界面，完成數(shù)據(jù)和指令的發(fā)送、接收，對(duì)其他的功能模塊進(jìn)行控制，以完成對(duì)應(yīng)的工作任務(wù)等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的準(zhǔn)確控制，保障產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。輔助控制部分包括機(jī)床的冷卻系統(tǒng)、油壓系統(tǒng)與刀具等方面的控制。

在實(shí)際工作中通過(guò)測(cè)量我們發(fā)現(xiàn)：交流電機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，它的頻率發(fā)生變化會(huì)引起磁通量發(fā)生變化，進(jìn)而又反過(guò)來(lái)影響頻率的準(zhǔn)確性，如何消除這種相關(guān)性是目前面臨的最主要的一個(gè)研究方向。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，普通電機(jī)在向下調(diào)速時(shí)，改變外部輸入的交流電頻率（＜50Hz），會(huì)因?yàn)榇磐康淖兓a(chǎn)生一個(gè)勵(lì)磁電流，進(jìn)而導(dǎo)致功率因數(shù)和電機(jī)負(fù)載能力下降，從而使得電機(jī)的控制效果受到了影響，造成控制精度不準(zhǔn)確。倘若能夠設(shè)法同時(shí)降低交流電壓幅值(U)、則可維持不變，達(dá)到恒磁通變頻調(diào)速。

2 交流主軸電機(jī)變頻器控制原理

交流主軸驅(qū)動(dòng)與變頻器都屬于感應(yīng)電機(jī)變頻方式，它們的工作原理各不相同，但是都能夠達(dá)到控制電機(jī)速度的效果，根據(jù)兩者之間不同的性能差異使得它們的應(yīng)用途徑各不相同，交流主軸驅(qū)動(dòng)主要用在專(zhuān)用電機(jī)的調(diào)速中，變頻器則被用在普通電機(jī)的調(diào)速中。隨著科技的進(jìn)步，矢量控制成為新一代變頻器的控制方式，它能夠很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)變頻器存在的不足，在準(zhǔn)確度、工作效率等方面具有很大的提升。通常電機(jī)參數(shù)設(shè)置越準(zhǔn)確，調(diào)速功能則越強(qiáng)。然而大多數(shù)與電機(jī)配套使用的通用變頻器無(wú)法確定不同廠家的電機(jī)參數(shù)，這就嚴(yán)重的影響到了實(shí)際的控制效果，使得控制過(guò)程中出現(xiàn)不同程度的誤差。

要想提高變頻器的調(diào)速性能，就必須運(yùn)用數(shù)學(xué)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器對(duì)電機(jī)的控制。在市場(chǎng)上就有這樣一款變頻器產(chǎn)品，它能夠做到比同類(lèi)產(chǎn)品更加精準(zhǔn)的控制效果，而且成本比較低廉，它的參數(shù)設(shè)置也比較接近多數(shù)通用電機(jī)，這就使得它被廣泛的使用在先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中。交流主軸驅(qū)動(dòng)器與變頻器在感應(yīng)電機(jī)中執(zhí)行控制調(diào)速的功能，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的電機(jī)控制器作為機(jī)床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在選擇驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要對(duì)其生產(chǎn)廠家的資質(zhì)及相應(yīng)產(chǎn)品進(jìn)行核實(shí)，并對(duì)其能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試，從而挑選合適的產(chǎn)品來(lái)用進(jìn)行數(shù)碼機(jī)床的電機(jī)調(diào)速控制。對(duì)變頻器進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要借鑒這一經(jīng)驗(yàn)，提高變頻器的控制功能以及各項(xiàng)性能。變頻器采用矢量控制的方式，可以提高交流主軸電機(jī)的性能，而且可以充分的發(fā)揮出調(diào)速功能。

3 電機(jī)變頻器參數(shù)的調(diào)控

矢量控制變頻器因?yàn)槠涓鞣矫娴膬?yōu)異性能，使得它在交流主軸電機(jī)的應(yīng)用較為廣泛，在設(shè)計(jì)數(shù)碼機(jī)床系統(tǒng)的同時(shí)，需要考慮到未來(lái)系統(tǒng)維護(hù)的便捷性，針對(duì)變頻器及其配套設(shè)備進(jìn)行合理的配置，充分的實(shí)現(xiàn)其精準(zhǔn)的控制效果。交流主軸電機(jī)的參數(shù)設(shè)置要明顯的不同于普通感應(yīng)電機(jī)，因此它不適合直接用作對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，否則很難達(dá)到預(yù)期的效果。這就需要在使用前針對(duì)交流主軸電機(jī)對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定，這樣才能夠達(dá)到準(zhǔn)確的控制調(diào)速的目的。第一步，先按照操作流程將主軸電機(jī)與主軸分離開(kāi)；第二步，設(shè)定頻率的相關(guān)參數(shù)及控制范圍；第三步，連接輸出線路并檢查線路的連接是否正常；最后就是按照機(jī)器的使用說(shuō)明進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試模式有快速調(diào)試與高級(jí)調(diào)試兩種，通常選擇前者作為安裝后的調(diào)試處理，這可根據(jù)實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)需要來(lái)進(jìn)行考慮。

技術(shù)人員在完成電機(jī)基本參數(shù)的設(shè)定后，按下變頻器的“自動(dòng)調(diào)整（自學(xué)習(xí)）”功能，這時(shí)機(jī)器內(nèi)部就會(huì)自動(dòng)的開(kāi)始執(zhí)行預(yù)定的程序，完成矢量控制所需要的全部電機(jī)參數(shù)的測(cè)試。自動(dòng)調(diào)整由系統(tǒng)內(nèi)部的相應(yīng)操作單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，它通過(guò)不斷的測(cè)試電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)情況，來(lái)完成參數(shù)的自動(dòng)修復(fù)和設(shè)定。該流程結(jié)束后就可以按照相應(yīng)的操作說(shuō)明來(lái)對(duì)變頻器進(jìn)行連線，確保交流主軸電機(jī)能夠正常的工作。

4 感應(yīng)電機(jī)交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略

感應(yīng)電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，分為繞線式和鼠籠式兩種類(lèi)型。鼠籠式電機(jī)的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，而且它具有很高的工作效率，同時(shí)便于操作使用，它通常被作為感應(yīng)電機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，這也是考慮到系統(tǒng)便捷性的角度出發(fā)的。鼠籠式電機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、耐高溫、轉(zhuǎn)速快、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，這也是它被廣泛運(yùn)用的主要原因，然而它的不足之處在于功率和體積較大，是同類(lèi)普通產(chǎn)品的2倍，這也制約了它在某些要求較高的地方的應(yīng)用。同時(shí)其起動(dòng)電流不再受換向器的限制，因此其功率范圍遠(yuǎn)大于直流電機(jī)，定子電壓可達(dá)到15kv，甚至更高。

感應(yīng)式主軸電機(jī)的控制無(wú)一例外地采用磁場(chǎng)定向技術(shù).它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁通的分別控制，進(jìn)而獲得較高的動(dòng)態(tài)性能，磁場(chǎng)定向控制技術(shù)又分為間接磁場(chǎng)定向和直接磁場(chǎng)定向兩種實(shí)現(xiàn)方式。間接轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制技術(shù)相對(duì)操作簡(jiǎn)單易行，現(xiàn)有的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能，不足之處在于它對(duì)電機(jī)的參數(shù)要求很高，提起的控制性能會(huì)隨著電機(jī)參數(shù)的變化而下降，這在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮到的一個(gè)問(wèn)題。實(shí)際上，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，其轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)可以在400%的范圍內(nèi)變化，因此現(xiàn)代主軸控制器均采用辨識(shí)、估算和自整定技術(shù)對(duì)參數(shù)變化在線補(bǔ)償。這導(dǎo)致新的問(wèn)題出現(xiàn)，就是當(dāng)功率恒定不變時(shí)，磁場(chǎng)環(huán)境較弱會(huì)使得系統(tǒng)的滑差增益不能夠被動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，從而導(dǎo)致磁通和轉(zhuǎn)矩的振蕩。直接定子磁場(chǎng)定向技術(shù)、繞組切換技術(shù)及鐵耗自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)等新技術(shù)的出現(xiàn)很好的解決了這樣的問(wèn)題，它們能夠很好的彌補(bǔ)原有技術(shù)的存在的缺陷，有效的提高控制的效果。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，數(shù)控機(jī)床的加工精度體現(xiàn)的是機(jī)床加工的數(shù)控水平，更進(jìn)一步顯示的是工業(yè)化水平。提高對(duì)數(shù)控機(jī)床的變頻器控制的策略認(rèn)識(shí)，能有效改善數(shù)控機(jī)床在改造和維修的促進(jìn)前提下，加快數(shù)控機(jī)床的發(fā)展進(jìn)度。

[1]趙云,劉洋,李葉松.實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)寬范圍最大轉(zhuǎn)矩控制的電流優(yōu)化策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(3):67-74.

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The inverter control of ac spindle motor

Xu Caihui Mai Zhiwei Wang Biying
（Guangdong Midea Refrigeration Equipment Co. Ltd., 528311）

In order to processing more complex products, the machining accuracy of numerical control machine is more demanding than ever before with the continuous development of science and technology. Although some achievements have been made, it still has shortage in spindle drive system of numerical control machine. In this paper the inverter control method of ac spindle motor is analyzed.

Numerical control machine; Ac spindle motor; Control