数控机床变频器矢量控制.docx

数控机床变频器矢景控制论文关键词：矢量控制变频器数控车床 论文摘要：本人于 2007年4月份进入 广东省广州昊达机电有限公司进行毕业前 的综合实践，从事有关变频器的工作本文 介绍了采用数控车床的主轴驱动中变频控 制的系统结构与运行模式，并简述了无速度 传感器的矢量变频器的基本应用刖曰数控车床是机电一体化的典型产品， 是集机床、计算机、电机及其拖动、自动控制、 检测等技术为一身的自动化设备其中主轴 运动是数控车床的一个重要内容， 以完成切削任务，其动力约占整台车床的动力的 70%^ 80%基本控制是主轴的正、反转和停 止，可自动换档和无级调速在目前数控车床中，主轴控制装置通常 是采用交流变频器来控制交流主轴电动机 为满足数控车床对主轴驱动的要求， 必须有以下性能：宽调速范围，且速度稳定性能要 高;在断续负载下，电机的转速波动要小；加 减速时间短；过载能力强；噪声低、震动小、 寿命长本文介绍了采用数控车床的主轴驱动 中变频控制的系统结构与运行模式，并阐述 了无速度传感器的矢量变频器的基本应用第1章变频器矢量控制阐述70年代西门子工程师首先提出异步电 机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制 问题。

矢量控制实现的基本原理是通过测量 和控制异步电动机定子电流矢量， 根据磁场 定向原理分别对异步电动机的励磁电流和 转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动 机转矩的目的具体是将异步电动机的定子 电流矢量分解为产生磁场的电流分量和产 生转矩的电流分量分别加以控制， 并同时控制两分量间的幅值和相位， 即控制定子电流 矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方 式矢量控制方式又有基于转差频率控制的 矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式 和有速度传感器的矢量控制方式等这样就 可以将一台三相异步电机等效为直流电机 来控制，因而获得与直流调速系统同样的 静、动态性能矢量控制算法已被广泛地应 用在siemens, AB, GE Fuji等国际化大公 司变频器上采用矢量控制方式的通用变频器不仅 可在调速范围上与直流电动机相匹配， 而且可以控制异步电动机产生的转矩 由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动 机的参数，有的通用变频器在使用时需要准 确地输入异步电动机的参数， 有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器 目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动 机参数自动检测、自动辨识、自适应功能， 带有这种功能的通用变频器在驱动异步电 动机进行正常运转之前可以自动地对异步 电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调 整控制算法中的有关参数，从而对普通的异 步电动机进行有效的矢量控制。

第2章数控车床主轴变频的系统结构与 运行模式主轴变频控制的基本原理 由异步电机理论可知， 主轴电机的转速公式为：n=x其中P一电动机的极对数，S一转差率， f 一供电电源的频率，n 一电动机的转速从 上式可看出，电机转速与频率近似成正比， 改变频率即可以平滑地调节电机转速， 而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽 的，可在0〜400Hz之间任意调节，因此主 轴电机转速即可以在较宽的范围内调节当然，转速提高后，还应考虑到对其轴 承及绕组的影响，防止电机过分磨损及过 热，一般可以通过设定最高频率来进行限 定图2-1所示为变频器在数控车床的应 用，其中变频器与数控装置的联系通常包括 数控装置到变频器的正反转信号；数控装置 到变频器的速度或频率信号；变频器到数控 装置的故障等状态信号因此所有关于对变 频器的操作和反馈均可在数控面板进行编 程和显示主轴变频控制的系统构成不使用变频器进行变速传动的数控车 床一般用时间控制器确认电机转速到达指 令速度开始进刀，而使用变频器后，机床可 按指令信号进刀，这样一来就提高了效率如果被加工件如图2-2所示所示形状，则由 图2-2中看出，对应于工件的 AB段，主轴 速度维持在1000rpm,对应于BC段，电机拖 动主轴成恒线速度移动，但转速却是联系变 化的，从而实现高精度切削。

在本系统中，速度信号的传递是通过数 控装置到变频器的模拟给定通道，通过变频 器内部关于输入信号与设定频率的输入输 出特性曲线的设置，数控装置就可以方便而 自由地控制主轴的速度该特性曲线必须涵 盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性 的不同配置，以满足数控车床快速正反转、 自由调速、变速切削的要求第3章无速度传感器的矢量控制变频器主轴变频器的基本选型目前较为简单的一类变频器是 V/F控 制，它就是一种电压发生模式装置，对调频 过程中的电压进行给定变化模式调节， 常见的有线性V/F控制和平方V/F控制标量控制的弱点在于低频转矩不够、 速度稳定性不好，因此在车床主轴变频使用过 程中被逐步淘汰，而矢量控制的变频器正逐 步进行推广所谓矢量控制，最通俗的讲，为使鼠笼 式异步机像直流电机那样具有优秀的运行 性能及很高的控制性能， 通过控制变频器输 出电流的大小、频率及其相位，用以维持电 机内部的磁通为设定值，产生所需要的转 矩矢量控制相对于标量控制而言，其优点 有：控制特性非常优良，可以直流电机的电 枢电流加励磁电流调节相媲美；能适应要求 高速响应的场合；调速范围大；可进行转矩 控制当然相对于标量控制而言， 矢量控制的 结构复杂、计算烦琐，而且必须存贮和频繁 地使用电动机的参数。

矢量控制分无速度传 感器和有速度传感器两种方式，区别在于后 者具有更高的速度控制精度， 而前者为千分 之五，但是在数控车床中无速度传感器的矢 量变频器的控制性能已经符合控制要求， 所 以这里推荐并介绍无速度传感器的矢量变 频器无速度传感器的矢量变频器无速度传感器的矢量变频器目前包括 西门子、艾默生、东芝、日立、 LG森兰等厂家都有成熟的产品推出，总结各自产品的 特点，它们都具有以下特点：电机参数自动 辩识和手动输入相结合；过载能力强，如50% 额定输出电流2min、180癫定输出电流10s; 低频高输出转矩，如150漩定转矩/1HZ;各 种保护齐全无速度传感器的矢量控制变频器不仅改善了转矩控制的特性， 而且改善了针对各 种负载变化产生的不特定环境下的速度可 控性图3-1所示，为某品牌无速度传感器 变频器产品在低频和正常频段时的转矩测 试数据从图中可知，其在低速范围时同样 可以产生强大的转矩在实验中，我们同样 将2Hz的矢量变频控制和 V/F控制变频进行 比较发现，前者具有更强的输出力矩，切削 力几乎与正常频段相同矢量控制中的电机参数辨识由于矢量控制是着眼于转子磁通来控 制电机的定子电流，因此在其内部的算法中 大量涉及到电机参数。

从图 3-2的异步电动 机的T型等效电路表示中可以看出， 电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定 电流外，还有 R1、X11、R2、X21、Xm^R I0 <参数辨识中分电机静止辨识和旋转辨 识2种，其中在静止辨识中，变频器能自动 测量并计算顶子和转子电阻以及相对于基 本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入 在旋转辨识中，变频器自动测量电机的互感 抗和空载电流在参数辨识中，必须注意：若旋转辨识 中出现过流或过压故障， 可适当增减加减速 时间；旋转辨识只能在空载中进行；如辨识 前必须首先正确输入电机铭牌的参数数控车床主轴变频矢量控制的功能设从图1-1中可以看出，使用在主轴中变 频器的功能设置分以下几部分：1矢量控制方式的设定和电机参数 ；2开关量数字输入和输出；3模拟量输入特性曲线；4SR速度闭环参数设定第4章结束语对于数控车床的主轴电机， 使用了无速度传感器的变频调速器的矢量控制后， 具有以下显著优点：大幅度降低维护费用，甚至 是免维护的；可实现高效率的切割和较高的 加工精度；实现低速和高速情况下强劲的力 矩输出参考文献1. 王侃夫.数控机床控制技术与系统[M],北京：机械工业出版社,2002.2. 杜金城.电气变频调速设计技术[M]. 北京：中国电力出版社,2001.3. 高钟毓.机电控制工程.北京：清华 大学出版社，2002.4. 刘助柏.知识创新思维方法论.北京: 机械工业出版社，1999数控机床变频器矢量 控制。