第7章 主轴伺服驱动系统

第7章主轴伺服驱动系统3/9/202317.1常用主轴驱动系统7.1.1直流主轴驱动系统的特点与构成7.1.2交流主轴驱动系统7.1.3主轴定向准停的控制3/9/202327.1.1．直流主轴驱动系统3/9/20233图7－2

直流主轴驱动系统原理图3/9/202347.1.2．交流主轴驱动系统3/9/202357.1.3．主轴定向准停的控制a）使用位置编码器3/9/20236b）使用磁性传感器图7－4

主轴定向准停控制示意图3/9/202377.2主轴变频驱动系统7.2.1变频器定义及工作原理7.2.2主轴变频器选用7.2.3西门子6SC650系列交流主轴驱动装置7.2.4三菱FR-A500系列变频器简介7.2.5变频器调试与参数的设定3/9/202387.2.1变频器定义及工作原理1．变频器定义及分类各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均为400V/50Hz或200V/60Hz（50Hz）等。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电动机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电动机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。3/9/20239变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。（1）VVVF：改变电压、改变频率（VariableVoltageandVariableFrequency）的缩写。（2）CVCF：恒电压、恒频率（ConstantVoltageandConstantFrequency）的缩写。3/9/2023102．变频器的工作原理交流电动机的同步转速表达式位为

n=60f(1−s)/p

（7-1）式中：n——异步电动机的转速；

f——异步电动机的频率；

s——电动机转差率；

p——电动机极对数。由上式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。3/9/2023113．变频器控制方式低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。3/9/202312（1）U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式（2）电压空间矢量（SVPWM）控制方式（3）矢量控制（VC）方式（4）直接转矩控制（DTC）方式3/9/2023134.矩阵式交—交控制方式由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法如下所述。①控制定子磁链：引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；②自动识别（ID）：依靠精确的电动机数学模型，对电动机参数自动识别；③算出实际值：对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；④实现Band—Band控制：按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2%，无PG反馈），高转矩精度（<+3%）；同时还具有较高的启动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150%～200%转矩。3/9/2023144．变频器调速原理与特性（1）变频调速特性。图7-4所示为异步电动机变频调速控制特性示意图。由电动机理论，三相异步电动机每相电势的有效值与下式有关：

e1

=

4.44f1N1Φm （7-2）式中：e1——定子每相电势有效值，V；

f1——定子供电电源频率，Hz；

N1——定子绕组有效匝数；

Φm——定子磁通，Wb。（2）恒转矩调速。恒转矩变频调速系统中，如能保持Ux/f

=定值，则f变化时，能保持过载能力不变（理论上）。（3）恒功率变频调速。在基频以上调速时，频率从f1→N往上增高，但电压U1却不能增加得比额定电压还大，最大只能保持U1

=

U1N，由上述公式可知，这迫使Φ与f成反比降低，Tm与Tst均随频率f1的增高而减小，nm保持不变，如图7-7所示，这近似为恒功率调速，相当于直流电动机弱磁调速的情况。3/9/2023157.2.2主轴变频器选用1．主轴驱动系统的要求（1）在大的转速范围内，数控机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。数控机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）电动机功率大，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。3/9/2023162．变频器的选用原则（1）选用变频器时，必须确保变频器的输出功率和电流选择必须等于或大于被驱动异步电动机的功率和电流。（2）环境温度长期较高，安装在通风冷却不良的机柜内时，会造成变频器寿命缩短。（3）电网电压处于不正常时，将不利于变频器。（4）高海拔地区因空气密度降低，散热器不能达到额定散热器效果，一般在1000m以上，每增加100m容量下降10%，必要时