易驅(qū)ED3300系列矢量變頻器在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用

   　 1、引言

  　  數(shù)字控制，簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)控機(jī)床（NC，NumericalControl）,是綜合應(yīng)用集機(jī)械、、液壓、氣動(dòng)、微電子和信息等多項(xiàng)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在現(xiàn)代機(jī)床生產(chǎn)中，一般采用多拖動(dòng)，主軸和各進(jìn)給系統(tǒng)分別由各自的電機(jī)來(lái)拖動(dòng)。由于機(jī)床加工范圍較廣，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求機(jī)床執(zhí)行部件具有不同的運(yùn)動(dòng)速度，因此機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)應(yīng)能進(jìn)行調(diào)速，主軸調(diào)速系統(tǒng)一般采用交流主軸系統(tǒng)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的主軸的交流拖動(dòng)，同樣能夠很好滿足需要。主驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，或通過(guò)皮帶傳動(dòng)和主軸箱內(nèi)的減速齒輪(以獲得更大的轉(zhuǎn)矩)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無(wú)級(jí)調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。由于的高性?xún)r(jià)比，所以變頻器在車(chē)床上使用非常普遍。

   　 在目前數(shù)控車(chē)床中，主軸控制裝置通常是采用交流變頻器來(lái)控制交流主軸電動(dòng)機(jī)。為滿足數(shù)控車(chē)床對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求，必須有以下性能:

    （1）寬調(diào)速范圍，且速度穩(wěn)定性能要高;

    （2）在斷續(xù)負(fù)載下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)要小;

    （3）加減速時(shí)間短;

    （4）過(guò)載能力強(qiáng);

    （5）噪聲低、震動(dòng)小、壽命長(zhǎng)。

   　 2、數(shù)控車(chē)床主軸變頻的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式

   　 2.1主軸變頻控制的基本原理

  　  由異步電機(jī)理論可知，主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為:

  　  n=（60f/p）×（1-s）

   　 其中p—電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，s—轉(zhuǎn)差率，f—供電的頻率，n—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。從上式可看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調(diào)機(jī)轉(zhuǎn)速，而對(duì)于變頻器而言，其頻率的調(diào)節(jié)范圍是很寬的，可在0～400hz（甚至更高頻率）之間任意調(diào)節(jié)，因此主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速即可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

   　 當(dāng)然，轉(zhuǎn)速提高后，還應(yīng)考慮到對(duì)其軸承及繞組的影響，防止電機(jī)過(guò)分磨損及過(guò)熱，一般可以通過(guò)設(shè)定最高頻率來(lái)進(jìn)行限定。   

圖1變頻器在數(shù)控床上的應(yīng)用

   　 圖1所示為變頻器在數(shù)控車(chē)床的應(yīng)用，其中變頻器與數(shù)控裝置的聯(lián)系通常包括

    （1）數(shù)控裝置到變頻器的正反轉(zhuǎn)信號(hào);

    （2）數(shù)控裝置到變頻器的速度或頻率信號(hào);

    （3）變頻器到數(shù)控裝置的故障等狀態(tài)信號(hào)。因此所有關(guān)于對(duì)變頻器的操作和反饋均可在數(shù)控面板進(jìn)行編程和顯示。

   　 2.2主軸變頻控制的系統(tǒng)構(gòu)成

   　 不使用變頻器進(jìn)行變速傳動(dòng)的數(shù)控車(chē)床一般用時(shí)間控制器確認(rèn)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)指令速度開(kāi)始進(jìn)刀，而使用變頻器后，機(jī)床可按指令信號(hào)進(jìn)刀，這樣一來(lái)就提高了效率。如果被加工件如圖2（1）所示所示形狀，則由圖2（1）中看出，對(duì)應(yīng)于工件的ab段，主軸速度維持在1000rpm，對(duì)應(yīng)于bc段，電機(jī)拖動(dòng)主軸成恒線速度移動(dòng)，但轉(zhuǎn)速卻是聯(lián)系變化的，從而實(shí)現(xiàn)高精度切削。  

圖2主軸變頻器系統(tǒng)構(gòu)成示意

    　在本系統(tǒng)中，速度信號(hào)的傳遞是通過(guò)數(shù)控裝置到變頻器的模擬給定通道（電壓或電流），通過(guò)變頻器內(nèi)部關(guān)于輸入信號(hào)與設(shè)定頻率的輸入輸出特性曲線的設(shè)置，數(shù)控裝置就可以方便而自由地控制主軸的速度。該特性曲線必須涵蓋電壓/電流信號(hào)、正/反作用、單/雙極性的不同配置，以滿足數(shù)控車(chē)床快速正反轉(zhuǎn)、自由調(diào)速、變速切削的要求。

  　  3、無(wú)速度的矢量控制變頻器

  　  3.1主軸變頻器的基本選型

 　   目前較為簡(jiǎn)單的一類(lèi)變頻器是v/f控制，它就是一種電壓發(fā)生模式裝置，對(duì)調(diào)頻過(guò)程中的電壓進(jìn)行給定變化模式調(diào)節(jié)，常見(jiàn)的有線性v/f控制（用于恒轉(zhuǎn)矩）和平方v/f控制（用于風(fēng)機(jī)水變轉(zhuǎn)矩）。v/f控制的弱點(diǎn)在于低頻轉(zhuǎn)矩不夠（需要轉(zhuǎn)矩提升）、速度穩(wěn)定性不好（調(diào)速范圍1:10），因此在車(chē)床主軸變頻使用過(guò)程中被逐步淘汰，而矢量控制的變頻器正逐步進(jìn)行推廣。所謂矢量控制為使鼠籠式異步機(jī)像直流電機(jī)那樣具有優(yōu)秀的運(yùn)行性能及很高的控制性能，通過(guò)控制變頻器輸出電流的大小、頻率及其相位，用以維持電機(jī)內(nèi)部的磁通為設(shè)定值，產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)矩。

 　   矢量控制相對(duì)于v/f控制而言，其優(yōu)點(diǎn)有:（1）控制特性非常優(yōu)良，可以直流電機(jī)的電樞電流加勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)相媲美;（2）能適應(yīng)要求高速響應(yīng)的場(chǎng)合;（3）調(diào)速范圍大（1:100）;（4）可進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。

   　 當(dāng)然相對(duì)于v/f控制而言，矢量控制的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算煩瑣，而且必須存貯和頻繁地使用電動(dòng)機(jī)的參數(shù)。矢量控制分無(wú)速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，區(qū)別在于后者具有更高的速度控制精度（萬(wàn)分之五），而前者為千分之五，但是在數(shù)控車(chē)床中無(wú)速度傳感器的矢量變頻器的控制性能已經(jīng)符合控制要求，所以這里推薦并介紹無(wú)速度傳感器的矢量變頻器。

   　 3.2無(wú)速度傳感器的矢量變頻器

    無(wú)速度傳感器的矢量變頻器都具有以下特點(diǎn):（1）電機(jī)參數(shù)自動(dòng)辯識(shí)和手動(dòng)輸入相結(jié)合;（2）過(guò)載能力強(qiáng)，如50%額定輸出電流2min、180%額定輸出電流10s;（3）低頻高輸出轉(zhuǎn)矩，如150%額定轉(zhuǎn)矩/1hz;（4）各種保護(hù)齊全（通俗地講，就是不容易炸模塊）。

   　 無(wú)速度傳感器的矢量控制變頻器不僅改善了轉(zhuǎn)矩控制的特性，而且改善了針對(duì)各種負(fù)載變化產(chǎn)生的不特定環(huán)境下的速度可控性。圖3所示，為易驅(qū)ED3300系列無(wú)速度傳感器變頻器產(chǎn)品在低頻和正常頻段時(shí)的轉(zhuǎn)矩測(cè)試數(shù)據(jù)（電機(jī)為5.5kw/4極）。從圖中可知，其在低速范圍時(shí)同樣可以產(chǎn)生強(qiáng)大的轉(zhuǎn)矩。在實(shí)驗(yàn)中，我們同樣將2hz的矢量變頻控制和v/f控制變頻進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，前者具有更強(qiáng)的輸出力矩，切削力幾乎與正常頻段（如30hz或50hz）相同。

圖3ED3300系列無(wú)傳感器矢量變頻器的轉(zhuǎn)矩特性

   　 4、易驅(qū)變頻器在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

  　  易驅(qū)變頻器在數(shù)控車(chē)床的應(yīng)用功能需求：

  　  ☉控制方式選用開(kāi)環(huán)矢量控制。

  　  ☉外部端子兩線控制，正轉(zhuǎn)FWD反轉(zhuǎn)REV。

 　   ☉頻率給定為0—10V模擬量給定AI1。

   　 ☉能保證300r／min速度下正常切削，低速力矩要求較大。

   　 ☉加減時(shí)間根據(jù)客戶要求，一般2－3S,需要制動(dòng)單元變頻器。

   　 ☉需要故障信號(hào)輸出

   　 （1）、根據(jù)機(jī)床設(shè)備負(fù)載特性，特別是低速區(qū)域高轉(zhuǎn)矩要求ED3300變頻器采用矢量控制方式，則將參數(shù)F0.00改為0。

 　   （2）、頻率給定通道設(shè)定，如果是外部模擬量給定（0—10V），則將參數(shù)F0.01改為4。

 　   （3）、啟動(dòng)前，先將F1.00-F1.08改成電機(jī)銘牌對(duì)應(yīng)參數(shù)，電機(jī)保持靜態(tài)，設(shè)置參數(shù)F1.13該為1后，按本機(jī)RUN讓變頻器做一次自整定，以檢測(cè)電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)（F1.00—F1.08），過(guò)程約需要幾秒鐘，完成后，參數(shù)F1.13自動(dòng)返回“0”狀態(tài)。

  　  （4）、最高頻率，將參數(shù)F0.06改成機(jī)床最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的0—10V，將參數(shù)F5.07改到最高頻率。

  　  （5）、加減速時(shí)間，將參數(shù)F0.14設(shè)定2.0F0.15設(shè)定2.0

   　 （6）、5.5KW數(shù)控機(jī)床參數(shù)：

   　 變頻器：易驅(qū)ED3100矢量傳動(dòng)電機(jī)：5.5KW—4級(jí)

   　 傳動(dòng)方式：皮帶（兩根）傳動(dòng)比：1：1.5

 　   切削方式：軸向刀具材質(zhì)：鎢鋼

 　   工件材質(zhì)：45#鋼

  　  變頻器參數(shù):

    　F0.00=0F0.01=4F0.04=1F0.14=2F0.15=2(F1.00-F1.08改成電機(jī)銘牌對(duì)應(yīng)參數(shù))F1.13=1

   　 5.5KW切削工藝參數(shù)表

    　事實(shí)證明采用易驅(qū)ED3300系列高性能矢量變頻器完全能夠滿足機(jī)床主軸控制的要求。ED3300系列機(jī)器采用的領(lǐng)先的磁通算法，即使在低轉(zhuǎn)速（低頻）運(yùn)行下也能平穩(wěn)輸出150%的轉(zhuǎn)矩，以滿足不同零件的加工需要，完全可以取代傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承主軸結(jié)構(gòu)，并且此主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、可以實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)級(jí)調(diào)速。此主軸的轉(zhuǎn)速由外部模擬量信號(hào)來(lái)控制輸出頻率，在不同的加工工藝（如；粗加工、精加工等）需要不同的轉(zhuǎn)速，此時(shí)可由數(shù)控系統(tǒng)輸出不同的模擬量電壓信號(hào)給變頻器，實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速，同時(shí)啟停信號(hào)也由數(shù)控系統(tǒng)控制，提高了自動(dòng)化程度、延長(zhǎng)了刀具的使用壽命。該設(shè)備改造后使用一切正常。