数控机床主轴驱动变频控制

丰成变频器-数控机床主轴驱动变频控制关键词：数控 机床 主轴 变频器数控机床主轴驱动变频控制一、绪论（一）、课题应用背景及意义 装备制造业是为国民经济发展和国防建设提供技术装备的基础性产业，是整个制造业的基础，其水平决定了国民经济发展的水平。数控技术是现代机床装备制造业的核心，是制造自动化设备的关键。数控机床主要由数控系统(CNC)、伺服系统、检测系统及机床本体组成。数控系统是数控机床的核心，它根据加工工艺要求完成插补运算，发出各种控制指令。伺服系统是数控机床的驱动变频装置，它接受数控系统发出的各种指令，驱动变频机床执行机构完成指定的运动。伺服系统包括主轴伺服驱动变频系统和进给伺服驱动变频系统。进给伺服驱动变频系统完成数控机床各坐标轴的进给运动；主轴伺服驱动变频系统完成主轴的旋转运动，包括主轴的速度控制、主轴与进给驱动变频的同步控制、准停控制和角度分度控制，是数控机床核心关键部件之一，其产品质量和性能的好坏直接影响到我国数控产品和国外产品的竞争能力。目前，我国的伺服驱动变频系统和主轴伺服驱动变频系统在产品性能、产品质量和结构工艺方面和国外名牌系统仍存在较大的差距，在用户的心目中还未建立起足够的信誉。在数控机床上，高性能数字数控机床主轴驱动变频系统依然是以国外产品为主，其中也有不少采用通用变频器的主轴驱动变频方案，但是低速性能较差。因此，开发出高性能的主轴驱动变频系统，建立国产数控系统的成套技术，降低成本，以提高国产数控产品的竞争能力，是一项具有重要现实意义的课题。（二）、数控机床对主轴驱动变频系统的要求 数控机床集高效、高精度和高柔性为一体，能适应不同零件的加工，它要求驱动变频系统具有较高的动静态性能，能频繁的启动、制动、正转、反转及实现准停。从工件和刀具相对运动的关系来分，数控机床可大致分为两种类型。一类是使工件旋转的车床类，另一类是使刀具作旋转运动的钻床和铣床类等。各种数控机床所完成的加工任务不同，对主轴和进给驱动变频系统提出的要求也不相同，但大致都包括以下几点基本要求:1、调速范围 由于加工刀具、被加工材质以及对零件加上要求不同，为保证在任何的情况下，都能得到最佳切削条件，这就要求传动系统必须具有足够宽的调速范围。同时在不同转速下又有具体的要求：高速下，要求速度稳定，尽可能提供主轴电机的最大功率，即恒功率范围要宽；低速下，要求提供大转矩输出，以满足重切削的要求。2、速度控制精度和加减速性能 为保证各种机床的加工精度和表面粗糙度，以及完成攻丝等一些特殊的高级加工，一般都要求传动系统具有较高速度控制精度，并且要求加减速时间短，有良好的快速响应特性，由负载变化引起的动态降速小。动态降速大，会严重影响加工的精度和表面粗糙度。3、精确的准停功能和角度分度控制 在加工中心上，自动更换刀具，一个接一个地完成各种不同的加工任务。需要对主轴做高精度停止定位控制，这是一种伺服动作。在车削中心上，要求主轴具有旋转进给轴的功能，完成任意角度分度控制，这时主轴坐标有了进给坐标的位置控制功能，称为“C”轴控制。 目前，异步电动机数控机床主轴驱动变频系统是当前商用主轴驱动变频系统的主流,其功率范围从零点几个kW到几百kW,广泛地应用于各种数控机床上。异步电动机的定子结构和其它三相数控机床电机的定子结构相同，在定子铁心内放置着空间位置互差2/3的三组线圈构成的三相绕组。电机转子结构一般为笼型，转子绕组是由铜条或铝条构成的状如鼠笼的短路绕组。笼型异步电动机的结构简单、坚固，并能在高温和高速的条件下长时间运行，其价格远低于同样速度和功率范围的直流电机，而功率和体积比却是直流电机的两倍，同时其起动电流不再受换向器的限制。异步电动机基速以上的恒功率运动范围可达到1:31:5，采用绕组切换技术的电机，其恒功率运动范围可达到1:10，甚至更宽。（三）、现代数控机床主轴驱动变频系统的控制策略 数控机床异步电动机虽然具有多变量、强耦合、非线性的特点，但是随着现代数控机床调速技术的发展，现代电力电子器件和电机控制用数字信号处理器的不断推陈出新，数控机床异步电动机主轴调速系统已经逐渐成为机床主轴驱动变频系统的主流，数控机床调速系统在性能上已经可以和直流调速系统相媲美。目前，数控机床上数控机床异步电动机的调速主要有以下几种常规控制策略：1、恒压频比控制与转差频率控制 恒压频比控制即通过调节驱动变频器输出侧的电压频率比的方法，来改变电动机在调速过程中机械特性的控制方式。开环恒压频比不能对转矩进行调节，可满足一般平滑调速的要求，动态性能有限。转差频率控制采用转子转速闭环控制，转速调节器的输出是转差角频率，逆变器输出的实际角频率是由转差信号和电机的实际转速信号相加后得到的，它随着电机转子角速度同步上升或下降。在分析转差频率控制规律时，是从异步电动机的稳态等效电路和稳态转矩公式出发的，并不能真正控制动态过程中的转矩特性。2、变频定向控制 变频定向控制的基本原理是以转子变频这一旋转空间矢量为参考坐标,将定子电流分解为相互正交的两个分量,一个与变频同方向,代表定子电流励变频分量,另一个与变频方向正交,代表定子电流转矩分量。这样，在旋转坐标系上，数控机床电机可以等效为直流电机，在励变频电流恒定时，通过控制转矩电流，获得与直流电机同样优良的静动态性能。变频定向控制技术又分为间接变频定向和直接变频定向两种实现方式。在直接变频定向中，变频定向位置直接采用传感线圈进行测量，或通过电动机输入端的信号进行估计，不适用于电机运行于低速的情况，且成本较高。而间接变频定向控制是基于异步电动机的数学模型，通过计算转差角频率，进而来估算转子和变频的相对位置，实现比较简单，但运行中转子参数的变化会使变频和转矩偏离指令值，不能达到准确的变频定向，从而引起额外损耗和最大转矩降低，另一个问题是随着电机速度要求越来越高，在恒功率变频范围运行时，当转子变频发生变化，而转差增益无法实现动态补偿，将引起变频通和转矩的振荡。3、直接转矩控制不同于变频定向控制技术，直接转矩控制无需将数控机床电动机与直流电动机作比较、等效、转化，不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化数控机床电动机的数学模型。它是在定子坐标系下，利用空间矢量的概念，通过易于测量的定子电压和转速等,直接对变频和转矩进行控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。由于选用了定子变频，只要知道定子电阻就可以把它观测出来，因而避开了未知且时变的转子参数，参数鲁棒性好。转矩与定子变频调节器借助于空间电压矢量理论，采用Bang-Bang控制，可以获得快速的动态响应，但同时带来了转矩脉动、调速范围受限的缺点，低速时调速性能明显下降。如果采用六边形变频控制方案，转矩脉动、噪声都比较大，但有利于减小功率器件的开关频率，适用于大功率领域；而采用近似圆变频的控制方案，则比较接近理想情况，电机损耗、转矩脉动及噪声均很小，侧重于中小功率高性能调速领域。一般而言,高性能的数控机床调速系统离不开速度的闭环控制。然而，速度传感器的安装带来了系统成本增加、体积增大等缺点。无速度传感器的数控机床传动控制技术也已成为近年研究热点。无速度传感器控制技术解决问题的出发点是利用测量到的定子电压、电流等信号综合电机转速。目前代表性的方案有:(1)动态速度估计器；(2)PI控制器法；(3)模型参考自适应方法；(4)扩展卡尔曼滤波法；(5)基于神经网络的速度估计器；(6)转子齿谐波法。然而，这些速度辨识方法在转速估计精度、抗参数变化、抗噪声干扰的鲁棒性以及计算复杂程度上同实际要求还有一定的距离。二、数控机床主轴驱动变频控制系统软硬件平台（一）、系统的硬件体系结构系统硬件部分主要分为功率电路（包括控制电源）控制电路两部分。动力电源输入为三相数控机床380V(-15%10%，50/60Hz)，控制电源输入为两相数控机床220V(-50%20%，50/60Hz)。系统的总体硬件体系结构如图所示：1、功率电路部分功率电路分为开关电源和主回路两部分。(1)开关电源部分 开关电源主要负责为控制电路板提供5V和12V控制电源，为主电路的逆变器模块提供四路15V电源,总功率约有20W。 开关电源以Power公司的TOPS witch-系列单片开关电源芯片TOP223为核心构成。TOP223开关电源芯片具有如下显著的特点：(a)将脉宽调制(PWM)控制系统的全部功能集成到三端芯片中。内含脉宽调制器、功率开关场效应管(MOSFET)、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现了无工频变压器、隔离式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。(b)输入数控机床电压和频率的范围极宽。作固定电压输入时可选 110V/115V/230V数控机床电，允许变化15；在宽电压范围输入时，适配85V265V数控机床电。(c)TOP223只有3个引出端，能以最简方式构成无工频变压器的反激式普通型或精密型开关电源。(d)开关频率的典型值为100kHz，允许范围是90kHz110kHz。 装置中以单片开关电源芯片TOP223为核心构成的开关电源外围电路简单，效率高，各路输出的电源纹波在100mV以内。(2)主回路部分 主回路部分采用交直交电压型逆变器形式。主要包括三相整流桥、软启动电路、滤波电容、逆变器、直流母线电压检测以及电机两相电流检测电路等部分。系统用两个变频平衡式霍尔电流传感器检测电机两相电流的瞬时值，用光电编码器检测电机转子的转速及角位移。逆变器采用三菱公司第五代智能功率模块PM50RLA120，模块集驱动变频电路、功率放大、检测与保护电路为一体，集成了七单元IGBT功率管。相比于第三代IPM“S系列”和第四代IPM“S-DASH系列”的功率模块，第五代IPM“L系列”模块具有以下显著的特点:(a)采用第五代新型沟槽芯片CSTBT，具有低饱和电压，降低了模块功耗。(b)制动单元的额定电流容量提高，PM50RLA120内部的制动管的电流容许等级为25A。(c)省却过流保护，保留短路、过热和驱动变频电源欠压保护。(d)采用新的小型封装，模块的尺寸和厚度都大为缩小。模块在工作时，外部需要提供四路独立的驱动变频电源，下桥臂共用一路驱动变频电源。通过光电耦合器给模块提供基极驱动变频信号。2、控制电路部分 为了更好的完成系统的实时控制任务，使系统具有较好的通用性和可扩展性。控制电路的设计采用了DSP+FPGA+MCU的体系结构，DSP采用ADI公司专用于电机控制的ADMC401，主要完成实时性要求较高的电机控制任务；MCU采用ATMEL公司的AT89S8253，主要完成实时性要求较低的任务，包括键盘处理、状态显示、参数设定、串行通信等；FPGA采用ACTEL公司的A42MX09，用来完成外部IO信号管理、DSP和单片机的数据交换、故障信号处理等任务。（二）、系统硬件的可靠性设计 硬件的可靠工作是系统能够正常运行的前提，装置中采取了多种措施，保障电路安全可靠工作。1、完善的故障保护功能 系统中设计有直流母线过(欠)压、缺相、制动故障、IPM模块故障、电机过热等故障检测电路，FPGA检测到故障信号后，将DSP的/PDPTRIP拉为低电平，此时DSP内定时器立即停止计数，将PWM输出管脚全部置为高阻状态，以封锁功率管。整个过程无需程序干预，由DSP自动完成，实现了故障的及时处理。2、输入输出信号处理 在输入和输出I/O通道上采用光耦合器件来进行信息传输，起到良好的隔离作用，同时避免上一级干扰窜到下一级；外部模拟电压信号输入端并上瞬态抑制二极管，吸收浪涌信号，对电路起到良好的保护作用；在低频模拟信号传输通道上加入硬件滤波电路，如RC低通道滤波器，大大削弱各类高频干扰信号。3、地线处理 控制电路板采用四层电路板，为电源和地分别安排专用层；数字地、模拟地分开，单点连接；同层上的多个电源、地用隔离带分割。（三）、系统主要控制算法实现1、电流调节器的设计 系统要求电流环应该在任意情况下快速跟踪电流给定。在分析时忽略电机电动势对电流环动态过程的影响，原因是电动势的变化与电机转速成正比，它相对电流而言，在一个采样周期内，可以认为是一恒定扰动，在动态过程中可以忽略。但是要注意到在高速时，随着电机绕组反电动势的增加，加在电机电枢绕组上的净电压减少，电流变化率降低，实际电流和给定电流间将出现明显的幅值和相位的偏差，严重时实际电流将无法跟随给定电流。为了提高电流环的动态跟随性能,在系统稳定的前提下，应尽可能提高电流调节器比例放大系数，减小积分时间常数，这样可以减小电动势对电流环调节性能的影响。根据电压方程得到：即电流环的作用对象是时间常数为Ts的惯性环节，电流环的结构框图如图所示。另外，电流检测滤波（霍尔电流传感器响应时间小于1us）、逆变器控制的滞后，均可看成是小惯性环节，可以将其按照小惯性环节的处理方法，合成一个小惯性环节Tf(这一部分图中未画出)。则电流环的控制对象为两个一阶惯性环节的串联，按照调节器的工程设计方法，电流调节器采用PI调节器，结构形式为2、转子变频角度计算根据转子变频角度的计算方程e =r +sldt，变频定向角度的计算分为两部分，一部分是转子旋转的电角度，另一部分是转差角。程序中对角度的处理采用了较为简洁的方式,将0360对应为数字量065536(0xFFFF)，角度计算超过65536会自然溢出，又从零开始计数，周而复始，省却了比较部分。变频定向角度的计算流程如图所示。转子旋转的电角度通过采样周期内的脉冲增量数来计算，转差角通过转差角频率的时间积分来计算。转子旋转的角度：r( k)=r( k-1)+r(k)，其中PUL(k)为采样周期内的脉冲增量，Pp是电机极对数，EL为电机编码器线数。三、实验结果分析、总结及展望（一）、仿真和实验波形及分析1、仿真波形从仿真波形可以看出，改进的变频控制方法缩减了电机在变频区间的升速时间，改善了动态响应特性。1/r方法产生较大的励变频电流给定，从而使电机在变频区间高速运行时，产生较大的反电动势。在一定的直流母线电压下，导致电流调节所需的电压裕量不足，从而使转矩电流和励变频电流的反馈不能较好的跟踪给定，转矩输出产生波动，速度上升较慢。采用转矩电流瞬态误差补偿方法后，在d、q电压受限的条件下，动态修正励变频电流指令的给定，大大改善了转矩电流和励变频电流的跟踪特性，有效提升了电机在变频区间的转矩输出能力。2、实验波形实验测试所用的电机参数：额定功率7.5KW，额定电压350V，额定电流18.8A，额定转矩47.8Nm，额定转速1500r/min。(1)空载实验改进后的方法有效改善了电压和电流的利用效率，利用较小的电流产生了较大的动态输出转矩，加快了电机的升速时间，且稳速效果更好，仿真结果和实验结果相吻合。(2)负载实验通过变频粉制动器负载实验台，测出了几组不同转速下电机的转矩输出大小，并绘出了近似的电机转矩输出特性曲线。受负载实验台装置的限制，最高转速只测到4000r/min。从曲线可以看出，电机转速在100r/min以上，1000r/min以下时，电机可以始终维持有90NM(1.8倍过载)的恒转矩输出能力，转速在1000r/min以上，1500r/min(基速)以下时，可以有1.5倍的过载能力。转速在1500r/min以上，3500r/min以下，电机可以满足恒功率(7.5KW)输出特性，3500r/min以后转矩有较大跌落，不再满足恒功率输出特性。此外，为了进一步验证系统的转矩输出能力和动态调节特性，在数控加工中心机床上进行了重切削实验。驱动变频系统具有较好连续电流输出能力，电机能够维持较大转矩输出，并且在负载快速变化时，速度的动态响应特性较好，实现了速度的快速跟踪调节。（二）、全文总结及展望本文基于转子变频定向控制理论，主要研究了一种应用于数控机床的全数字交流主轴驱动变频系统。首先介绍了异步电动机的数学模型和变频定向理论，针对间接转子变频定向控制在实现中的关键问题，包括变频控制算法、参数辨识、制动策略等，阅读和总结了大量国内外文献，通过分析传统1/r变频控制方法，添