第7章主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3/9/202317.1常用主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)7.1.1直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)與構(gòu)成7.1.2交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)7.1.3主軸定向準(zhǔn)停的控制3/9/202327.1.1．直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3/9/20233圖7－2

直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖3/9/202347.1.2．交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3/9/202357.1.3．主軸定向準(zhǔn)停的控制a）使用位置編碼器3/9/20236b）使用磁性傳感器圖7－4

主軸定向準(zhǔn)?？刂剖疽鈭D3/9/202377.2主軸變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)7.2.1變頻器定義及工作原理7.2.2主軸變頻器選用7.2.3西門子6SC650系列交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置7.2.4三菱FR-A500系列變頻器簡(jiǎn)介7.2.5變頻器調(diào)試與參數(shù)的設(shè)定3/9/202387.2.1變頻器定義及工作原理1．變頻器定義及分類各國(guó)使用的交流供電電源，無論是用于家庭還是用于工廠，其電壓和頻率均為400V/50Hz或200V/60Hz（50Hz）等。通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。變頻器是把工頻電源（50Hz或60Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。對(duì)于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來說，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。變頻調(diào)速是通過改變電動(dòng)機(jī)定子繞組供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。3/9/20239變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。（1）VVVF：改變電壓、改變頻率（VariableVoltageandVariableFrequency）的縮寫。（2）CVCF：恒電壓、恒頻率（ConstantVoltageandConstantFrequency）的縮寫。3/9/2023102．變頻器的工作原理交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位為

n=60f(1?s)/p

（7-1）式中：n——異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；

f——異步電動(dòng)機(jī)的頻率；

s——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；

p——電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。由上式可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。3/9/2023113．變頻器控制方式低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。3/9/202312（1）U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式（2）電壓空間矢量（SVPWM）控制方式（3）矢量控制（VC）方式（4）直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式3/9/2023134.矩陣式交—交控制方式由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實(shí)現(xiàn)的。具體方法如下所述。①控制定子磁鏈：引入定子磁鏈觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器方式；②自動(dòng)識(shí)別（ID）：依靠精確的電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別；③算出實(shí)際值：對(duì)應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實(shí)際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；④實(shí)現(xiàn)Band—Band控制：按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號(hào)，對(duì)逆變器開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。矩陣式交—交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)（<2ms），很高的速度精度（±2%，無PG反饋），高轉(zhuǎn)矩精度（<+3%）；同時(shí)還具有較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時(shí)（包括0速度時(shí)），可輸出150%～200%轉(zhuǎn)矩。3/9/2023144．變頻器調(diào)速原理與特性（1）變頻調(diào)速特性。圖7-4所示為異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性示意圖。由電動(dòng)機(jī)理論，三相異步電動(dòng)機(jī)每相電勢(shì)的有效值與下式有關(guān)：

e1

=

4.44f1N1Φm （7-2）式中：e1——定子每相電勢(shì)有效值，V；

f1——定子供電電源頻率，Hz；

N1——定子繞組有效匝數(shù)；

Φm——定子磁通，Wb。（2）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速系統(tǒng)中，如能保持Ux/f

=定值，則f變化時(shí)，能保持過載能力不變（理論上）。（3）恒功率變頻調(diào)速。在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率從f1→N往上增高，但電壓U1卻不能增加得比額定電壓還大，最大只能保持U1

=

U1N，由上述公式可知，這迫使Φ與f成反比降低，Tm與Tst均隨頻率f1的增高而減小，nm保持不變，如圖7-7所示，這近似為恒功率調(diào)速，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速的情況。3/9/2023157.2.2主軸變頻器選用1．主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求（1）在大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，數(shù)控機(jī)床允許切削深度與進(jìn)刀量都是相等的，因而具有恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)。（2）在高速段，受床身機(jī)械強(qiáng)度及振動(dòng)等影響，速度越高，允許的切削深度和進(jìn)刀量越小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也越小，因此具有恒功率性質(zhì)。數(shù)控機(jī)床要求主軸輸出功率大，調(diào)速范圍足夠大，并具有主軸與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)同步控制、準(zhǔn)?？刂啤⒔嵌确侄瓤刂频瓤刂乒δ?。為滿足上述數(shù)控要求，首先主軸電動(dòng)機(jī)應(yīng)具備以下性能：（1）電動(dòng)機(jī)功率大，且在調(diào)速范圍內(nèi)速度穩(wěn)定，恒功率調(diào)速范圍寬；（2）在斷續(xù)負(fù)載下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)要?。唬?）加、減速時(shí)間短；（4）電動(dòng)機(jī)過載能力強(qiáng)；（5）噪聲低、溫升低、震動(dòng)小、壽命長(zhǎng)。3/9/2023162．變頻器的選用原則（1）選用變頻器時(shí)，必須確保變頻器的輸出功率和電流選擇必須等于或大于被驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)的功率和電流。（2）環(huán)境溫度長(zhǎng)期較高，安裝在通風(fēng)冷卻不良的機(jī)柜內(nèi)時(shí)，會(huì)造成變頻器壽命縮短。（3）電網(wǎng)電壓處于不正常時(shí)，將不利于變頻器。（4）高海拔地區(qū)因空氣密度降低，散熱器不能達(dá)到額定散熱器效果，一般在1000m以上，每增加100m容量下降10%，必要時(shí)