變頻器在車(chē)床主軸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用(圖)
2006/6/23 15:01:34
中達(dá)電通股份有限公司 供稿
1 引 言
數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機(jī)床產(chǎn)量和總擁有量的百分比，是衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)控車(chē)床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置，幾十年來(lái)一直受到世界各國(guó)的普遍重視，并得到了迅速的發(fā)展。主軸是車(chē)床構(gòu)成中一個(gè)重要的部分，對(duì)于提高加工效率，擴(kuò)大加工材料范圍，提升加工質(zhì)量有著重要的作用。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床大多數(shù)是不能自動(dòng)變速的，需要變速時(shí)，只能把機(jī)床停止，然后手動(dòng)變速。而全功能數(shù)控車(chē)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)大多采用無(wú)級(jí)變速。目前，無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機(jī)。通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，或通過(guò)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，使主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。由于變頻器的高性?xún)r(jià)比，所以變頻器在車(chē)床上使用非常普遍。臺(tái)達(dá)M系列變頻器以其獨(dú)特的性能和優(yōu)越的性?xún)r(jià)比，在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用方面迅速崛起，已經(jīng)成為目前市場(chǎng)上一支強(qiáng)大的生力軍。
2 臺(tái)達(dá)M系列變頻器性能簡(jiǎn)介
M系列變頻器能滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)無(wú)級(jí)變速的需求，其主要特點(diǎn)是：體積小，屬于“迷你”型產(chǎn)品，占用控制柜空間較小；控制方式為正弦波SPWM（提供速度反饋矢量控制），控制性能較VF控制方式有很大改善，特別是在低速轉(zhuǎn)矩上滿(mǎn)足機(jī)床主軸的需求，5HZ時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到150%以上；載波頻率范圍0-15kHz，噪音小；提供標(biāo)準(zhǔn)的0-10V模擬量接口（輸入阻抗47Kohm，輸出阻抗250Kohm），能夠與大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)接口兼容，通用性強(qiáng)；過(guò)負(fù)載能力強(qiáng)，150%以上額定輸出電流超過(guò)一分鐘；提供多功能的輸出端子信號(hào)，例如零速信號(hào)，運(yùn)轉(zhuǎn)中信號(hào)，速度到達(dá)信號(hào)，故障指示，滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)于主軸速度狀態(tài)的監(jiān)控；自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，滿(mǎn)足機(jī)床主軸在低速情況下的加工需求；提供三組異常紀(jì)錄，供維修人員從側(cè)面了解機(jī)床主軸實(shí)際的運(yùn)行狀況；電機(jī)參數(shù)自動(dòng)整定功能，在線識(shí)別電機(jī)參數(shù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。
3 車(chē)床主軸控制系統(tǒng)
3．1 車(chē)床主軸控制系統(tǒng)原理
控制系統(tǒng)接線圖如圖1所示。選配電機(jī)為3.0KW/50Hz/380V，選用變頻器型號(hào)為VFD037M43，制動(dòng)電阻400W/150ohm。
變頻器AVI/GND端子給數(shù)控系統(tǒng)提供速度模擬量，AVI接數(shù)控系統(tǒng)模擬量接口正信號(hào)，GND接負(fù)信號(hào)，信號(hào)為0-10V模擬電壓信號(hào)，控制主軸轉(zhuǎn)速。M0/M1/GND為變頻器的正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)信號(hào)端子，通常由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出正轉(zhuǎn)信號(hào)FWD或者反轉(zhuǎn)REV來(lái)驅(qū)動(dòng)中間繼電器，中間繼電器的常開(kāi)接點(diǎn)接入變頻器M0/GND或者M(jìn)1/GND，從而控制車(chē)床主軸的正反轉(zhuǎn)。
3．2 控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試
在參數(shù)調(diào)整過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注意：P00參數(shù)，選擇主頻率輸入，設(shè)置為模擬信號(hào)0-10V輸入（1）；P01參數(shù)，運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)，設(shè)置為外部端子信號(hào)控制（2）；P03，最高操作頻率選擇，對(duì)應(yīng)于模擬信號(hào)10V輸入時(shí)變頻器的輸出頻率，由于在0-3500rpm范圍內(nèi)調(diào)速，考慮機(jī)械減速比，該此參數(shù)可設(shè)置為184HZ；P04和P05按照電機(jī)銘牌設(shè)置，P04=50Hz，P05=380V；P10和P11為加速時(shí)間和減速時(shí)間，根據(jù)客戶(hù)的要求，P10=5S，P11=5S；P105為控制方式的選擇，選擇矢量控制，P105=1。
特別需要注意的是，由于矢量控制需要提供電機(jī)參數(shù)（阻抗），變頻器提供電機(jī)參數(shù)自整定功能P103，選擇P103=2，通過(guò)面板運(yùn)行鍵，變頻器會(huì)自動(dòng)運(yùn)行。自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，除了計(jì)算出電機(jī)參數(shù)以外，還能夠檢測(cè)出空載電流，這幾個(gè)參數(shù)可使矢量控制表現(xiàn)出較高的性能，其這個(gè)過(guò)程會(huì)持續(xù)十幾秒鐘時(shí)間。
4 測(cè)試與運(yùn)行
系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示，
從表1和表2可以看出在恒轉(zhuǎn)矩輸出的頻率段（0-50Hz），矢量控制的空載電流幾乎只有VF控制的一半，負(fù)載時(shí)電流也比VF小一些；而且負(fù)載切削時(shí)，VF控制在初期有很明顯的速度下降，而且空載速度和負(fù)載速度有比較大的差值。而相對(duì)于矢量控制，主軸轉(zhuǎn)速初期雖然也會(huì)有下降，但是下降值較小，并且速度會(huì)很快回升，最終空載速度和負(fù)載速度相差不是很明顯。經(jīng)過(guò)上面的調(diào)試，與VF控制比較，性能有了很大的改善，無(wú)論從空載電流，低速力矩，還是速度的變化，效果都是非常明顯的，完全能夠滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床的需求。投入運(yùn)行后，使用效果令人滿(mǎn)意，說(shuō)明臺(tái)達(dá)M系列變頻器在車(chē)床主軸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是成功的。
數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機(jī)床產(chǎn)量和總擁有量的百分比，是衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)控車(chē)床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置，幾十年來(lái)一直受到世界各國(guó)的普遍重視，并得到了迅速的發(fā)展。主軸是車(chē)床構(gòu)成中一個(gè)重要的部分，對(duì)于提高加工效率，擴(kuò)大加工材料范圍，提升加工質(zhì)量有著重要的作用。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床大多數(shù)是不能自動(dòng)變速的，需要變速時(shí)，只能把機(jī)床停止，然后手動(dòng)變速。而全功能數(shù)控車(chē)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)大多采用無(wú)級(jí)變速。目前，無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機(jī)。通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，或通過(guò)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，使主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。由于變頻器的高性?xún)r(jià)比，所以變頻器在車(chē)床上使用非常普遍。臺(tái)達(dá)M系列變頻器以其獨(dú)特的性能和優(yōu)越的性?xún)r(jià)比，在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用方面迅速崛起，已經(jīng)成為目前市場(chǎng)上一支強(qiáng)大的生力軍。
2 臺(tái)達(dá)M系列變頻器性能簡(jiǎn)介
M系列變頻器能滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)無(wú)級(jí)變速的需求，其主要特點(diǎn)是：體積小，屬于“迷你”型產(chǎn)品，占用控制柜空間較小；控制方式為正弦波SPWM（提供速度反饋矢量控制），控制性能較VF控制方式有很大改善，特別是在低速轉(zhuǎn)矩上滿(mǎn)足機(jī)床主軸的需求，5HZ時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到150%以上；載波頻率范圍0-15kHz，噪音小；提供標(biāo)準(zhǔn)的0-10V模擬量接口（輸入阻抗47Kohm，輸出阻抗250Kohm），能夠與大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)接口兼容，通用性強(qiáng)；過(guò)負(fù)載能力強(qiáng)，150%以上額定輸出電流超過(guò)一分鐘；提供多功能的輸出端子信號(hào)，例如零速信號(hào)，運(yùn)轉(zhuǎn)中信號(hào)，速度到達(dá)信號(hào)，故障指示，滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)于主軸速度狀態(tài)的監(jiān)控；自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，滿(mǎn)足機(jī)床主軸在低速情況下的加工需求；提供三組異常紀(jì)錄，供維修人員從側(cè)面了解機(jī)床主軸實(shí)際的運(yùn)行狀況；電機(jī)參數(shù)自動(dòng)整定功能，在線識(shí)別電機(jī)參數(shù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。
3 車(chē)床主軸控制系統(tǒng)
3．1 車(chē)床主軸控制系統(tǒng)原理
控制系統(tǒng)接線圖如圖1所示。選配電機(jī)為3.0KW/50Hz/380V，選用變頻器型號(hào)為VFD037M43，制動(dòng)電阻400W/150ohm。
變頻器AVI/GND端子給數(shù)控系統(tǒng)提供速度模擬量，AVI接數(shù)控系統(tǒng)模擬量接口正信號(hào)，GND接負(fù)信號(hào)，信號(hào)為0-10V模擬電壓信號(hào)，控制主軸轉(zhuǎn)速。M0/M1/GND為變頻器的正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)信號(hào)端子，通常由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出正轉(zhuǎn)信號(hào)FWD或者反轉(zhuǎn)REV來(lái)驅(qū)動(dòng)中間繼電器，中間繼電器的常開(kāi)接點(diǎn)接入變頻器M0/GND或者M(jìn)1/GND，從而控制車(chē)床主軸的正反轉(zhuǎn)。
3．2 控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試
在參數(shù)調(diào)整過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注意：P00參數(shù)，選擇主頻率輸入，設(shè)置為模擬信號(hào)0-10V輸入（1）；P01參數(shù)，運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)，設(shè)置為外部端子信號(hào)控制（2）；P03，最高操作頻率選擇，對(duì)應(yīng)于模擬信號(hào)10V輸入時(shí)變頻器的輸出頻率，由于在0-3500rpm范圍內(nèi)調(diào)速，考慮機(jī)械減速比，該此參數(shù)可設(shè)置為184HZ；P04和P05按照電機(jī)銘牌設(shè)置，P04=50Hz，P05=380V；P10和P11為加速時(shí)間和減速時(shí)間，根據(jù)客戶(hù)的要求，P10=5S，P11=5S；P105為控制方式的選擇，選擇矢量控制，P105=1。
特別需要注意的是，由于矢量控制需要提供電機(jī)參數(shù)（阻抗），變頻器提供電機(jī)參數(shù)自整定功能P103，選擇P103=2，通過(guò)面板運(yùn)行鍵，變頻器會(huì)自動(dòng)運(yùn)行。自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，除了計(jì)算出電機(jī)參數(shù)以外，還能夠檢測(cè)出空載電流，這幾個(gè)參數(shù)可使矢量控制表現(xiàn)出較高的性能，其這個(gè)過(guò)程會(huì)持續(xù)十幾秒鐘時(shí)間。
4 測(cè)試與運(yùn)行
系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示，
從表1和表2可以看出在恒轉(zhuǎn)矩輸出的頻率段（0-50Hz），矢量控制的空載電流幾乎只有VF控制的一半，負(fù)載時(shí)電流也比VF小一些；而且負(fù)載切削時(shí)，VF控制在初期有很明顯的速度下降，而且空載速度和負(fù)載速度有比較大的差值。而相對(duì)于矢量控制，主軸轉(zhuǎn)速初期雖然也會(huì)有下降，但是下降值較小，并且速度會(huì)很快回升，最終空載速度和負(fù)載速度相差不是很明顯。經(jīng)過(guò)上面的調(diào)試，與VF控制比較，性能有了很大的改善，無(wú)論從空載電流，低速力矩，還是速度的變化，效果都是非常明顯的，完全能夠滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床的需求。投入運(yùn)行后，使用效果令人滿(mǎn)意，說(shuō)明臺(tái)達(dá)M系列變頻器在車(chē)床主軸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是成功的。
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http:www.mangadaku.com/news/2006-6/200662315134.html
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