EV6000高性能變頻器在電主軸上的應(yīng)用

摘要：本文介紹了艾默生CT新一代高性能EV6000變頻器在伺服電主軸上的調(diào)試及長期運行情況。通過多個客戶為期超過半年的使用，它標(biāo)志著EV6000變頻器產(chǎn)品延續(xù)了EV1000，EV2000，產(chǎn)品極高的可靠性，簡單易用性，同時還提供了前所未有的高性能，能夠進(jìn)行原先伺服主軸驅(qū)動器的替代。
關(guān)鍵詞：電主軸 零速鎖定 同步跟蹤
1 引言
 EV6000 變頻器作為艾默生CT新一代高性能變頻器，采用先進(jìn)的控制策略實現(xiàn)了真正意義上的高精度磁通矢量轉(zhuǎn)矩控制，無論是有PG 運行還是無PG 運行，均達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先的控制水準(zhǔn)。同步電機驅(qū)動與異步電機驅(qū)動的一體化，轉(zhuǎn)矩控制、速度控制、位置控制的一體化，使得EV6000 成為業(yè)界少有的具有優(yōu)異控制性能的一體化驅(qū)動器，滿足客戶應(yīng)用的高性能化需求。電主軸是數(shù)控機床的重要部件，傳統(tǒng)機床主軸是通過傳動裝置帶動主軸旋轉(zhuǎn)而工作的。電主軸是電機內(nèi)裝式主軸單元的簡稱。其主要特點是將電機置于主軸內(nèi)部，通過驅(qū)動電源直接驅(qū)動主軸進(jìn)行工作，實現(xiàn)了電機、主軸的一體化功能，進(jìn)行切削加工。它具有結(jié)構(gòu)緊湊，機械效率高，噪聲低，振動小，精度高，運行平穩(wěn)，沒有沖擊的特點，能夠使主軸軸承壽命得到延長。通過EV6000機床專用版本內(nèi)置的機床專用功能，可以完成動態(tài)高精度同步跟蹤，分度，準(zhǔn)停，零速鎖定等功能。其優(yōu)異的性能，豐富的功能完全能夠滿足數(shù)控加工中心主軸控制的工藝和精度要求。
2 伺服電主軸系統(tǒng)原理
 交流伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng)由主軸控制器、主軸驅(qū)動單元、主軸電動機和檢測主軸速度與位置的編碼器４部分組成，主要完成閉環(huán)速度控制，但當(dāng)主軸準(zhǔn)停時則完成閉環(huán)位置控制。主軸驅(qū)動單元的位置控制與速度控制均由內(nèi)部的高速信號處理器及控制系統(tǒng)實現(xiàn)，其原理框圖如圖1所示。圖中CNC系統(tǒng)向主軸驅(qū)動單元發(fā)出速度指令或位置指令，驅(qū)動單元根據(jù)該指令執(zhí)行相應(yīng)的速度與位置控制。與此同時，CNC控制器也接收來自于主軸電機編碼器的分頻輸出（或終端傳感器的輸出信號）來對其指令進(jìn)行校正，當(dāng)然，此信號也用于系統(tǒng)過程偏差的檢測，如速度偏差過大等。

圖1 電主軸驅(qū)動原理框圖（虛線為可選）
 為方便起見，我們以一實際的電主軸系統(tǒng)為例進(jìn)行描述。在該系統(tǒng)中，CNC控制器采用的是臺灣LNCT520i主軸控制器，驅(qū)動器使用EV6000高性能機床專用版本變頻器＋PGABS選件卡(帶分頻輸出的編碼器接口卡)，電機使用的是山東某廠家的JSZD150A-8/3C電動馬達(dá)，出場配置2048RPM差分增量式編碼器。整個系統(tǒng)接線框圖如圖2：

圖2：電主軸系統(tǒng)接線框圖
 LNCT520i主軸控制器通過PA+/PA-和PB+/PB-正交脈沖信號向EV6000發(fā)出速度和位置信號，同時也包含著方向信號。EV6000配置有PGABS編碼器選件卡，該卡既接收主軸控制器脈沖給定，又接收來自電機的編碼器反饋信號，同時對編碼器信號進(jìn)行分頻，反饋到主軸控制器。EV6000工作在伺服模式。系統(tǒng)的性能主要決定于驅(qū)動器和電機的性能。下面仔細(xì)介紹系統(tǒng)各個組件。
 （一）主軸電機：電機型號為JSZD150A-8/3C，內(nèi)置2048RPM, 5V差分編碼器。廠家給定的技術(shù)參數(shù)與曲線如下:
表一：電機廠家參數(shù)

 圖3 功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線               圖4 力矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線
 （二）EV6000變頻器＋PGABS測速卡
 EV60－PGABS 測速卡是EV6000 系列變頻器的選件，提供如下功能：1．編碼器接口PG1，支持差分ABZ、UVW 信號，作為速度或位置反饋。2．PG1 的脈沖分頻輸出，可用于速度或位置同步。3．脈沖指令接口PG2，可接收上一級裝置的脈沖指令，用于速度或位置同步。

(外殼接屏蔽層)
 整個系統(tǒng)的接線可參考圖2。EV6000變頻器本體只連接運行信號和復(fù)位信號。
3 調(diào)試步驟與要點
 無論是速度同步跟蹤還是零速鎖定，整個系統(tǒng)邏輯都非常簡單，只需要將在F13組功能碼里將EV6000設(shè)置為伺服模式，位置指令給定源選擇為擴展PG給定即可。因此調(diào)試主要工作是根據(jù)電機的特性曲線來調(diào)整變頻器相關(guān)參數(shù)，以獲得驅(qū)動系統(tǒng)的最佳性能。為此，需要了解驅(qū)動器伺服模式的原理。

圖5：EV6000伺服模式的原理框圖
 在上述系統(tǒng)中，電機特性是整個系統(tǒng)性能保證的基礎(chǔ)。為達(dá)到最好的控制效果，需要對電機進(jìn)行參數(shù)辨識?？蓞⒖急硪缓蛨D3與圖4，在功能組F80里依次輸入電機額定功率，額定電壓，額定電流，額定頻率，額定轉(zhuǎn)速之后啟動電機旋轉(zhuǎn)自整定。因為主軸電機基本都是特種電機，有時會發(fā)生自整定失敗，此事需要對額定電壓，額定頻率和額定轉(zhuǎn)速三個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直至整定通過。整定通過之后，不妨在全速范圍內(nèi)讓電機空載運行，確保系統(tǒng)無振動，電機電流聲音正常。
 從圖5中，系統(tǒng)還有三個控制環(huán)路。最里面的是電流環(huán)，其次是速度環(huán)，最外是位置環(huán)。電機自整定通過后，主要的調(diào)試就是調(diào)整這三個參數(shù)的PI參數(shù)。首先是電流環(huán)，該參數(shù)一般采用變頻器默認(rèn)參數(shù)，在現(xiàn)場無檢測儀器的情況下，調(diào)整的依據(jù)可簡化如下：全速運行，觀察電機有無振動或嘯叫，如有，則需調(diào)整，此種情況一般表明參數(shù)過強。進(jìn)行零速鎖定運行，觀察鎖定動作是否干凈利索，鎖定是否有力，可以逐步增加電流環(huán)PI直至感覺電機軸明顯振動，此時適當(dāng)回調(diào)PI至一合適值，順便也可以觀察輸出電流是否穩(wěn)定。電流環(huán)參數(shù)位于F09組。接下來調(diào)整速度環(huán)，調(diào)整原理不進(jìn)行論述，可以觀察[F01.13]電機實測頻率是否穩(wěn)定，響應(yīng)是否足夠快。同時零速鎖定時鎖定力是否足夠大，不夠大則需調(diào)強PI。如下圖所示，為系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖。
 
 圖6：系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖
最后是調(diào)整位置環(huán)。位置環(huán)主要調(diào)整動態(tài)位置偏差，一般的數(shù)控中心都有位置超差告警。在出場參數(shù)的基礎(chǔ)上，一般需要強化位置環(huán)P參數(shù)。圖7是在一個正反轉(zhuǎn)過程中位置差的實際檢測結(jié)果?？梢钥闯稣麄€過程動態(tài)誤差不到25個脈沖（4倍頻后）。

圖7 位置超差結(jié)果
 此外，影響性能可能需要調(diào)整的參數(shù)還包括[F09.01]載波頻率，[F63.08]PG信號濾波等。在這里我們給出上述應(yīng)用的參數(shù)設(shè)置。

4. 結(jié)束語
 EV6000作為艾默生CT新一代平臺型變頻器產(chǎn)品，具備優(yōu)異的控制性能。我們會將客戶的實際需求和通用型產(chǎn)品結(jié)合起來，推出針對行業(yè)性的客戶專機，也會和大客戶緊密結(jié)合，推出一些定制產(chǎn)品，目前都已取得一定成效。就電主軸而言，變頻器內(nèi)置了專用的F13（伺服控制）、F33（主軸準(zhǔn)停）、F34（剛性攻絲）功能組，只需要進(jìn)行簡單的功能碼設(shè)置，就可以進(jìn)行高精度的速度跟蹤，零速鎖定，分度等功能，方便了用戶的使用，同時還可以進(jìn)行一些簡單的位置控制，動態(tài)位置精度可以控制的很好，可控制在4個脈沖之內(nèi)，穩(wěn)態(tài)位置精度可控制在一個脈沖之內(nèi)。

圖8 RNCII-15E外觀圖

（轉(zhuǎn)載）