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异步电动机调速系统及主轴驱动,伺服系统,第6章,内容提要,第一节异步电动机变频调速系统第二节数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求第三节直流主轴控制单元第四节交流主轴控制单元第五节主轴定向控制,第6章,第一节异步电动机变频调速系统,第一节异步电动机变频调速系统,变频调速通过改变电动机定子供电频率来改变同步转速，从而实现交流电动机调速的一种方法，变频调速调速范围宽，平滑性好，具有优良的动、静态特性，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。对交流电动机进行变频调速，需要一套变频电源，过去大多采用旋转变频发电机组作为电源，但这些设备庞大、可靠性差。随着晶闸管及各种大功率电力电子器件如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等的问世，各种静止变频电源获得了迅速发展，它们具有重量轻、体积小、维护方便、惯性小和效率高等优点，但由其组成的变频电路较复杂，造价较高。而功率集成电路的出现，产品价格随之降低，它集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，可靠性高，维护方便。因此，目前变频调速已成为交流调速的主要发展方向。,第一节异步电动机变频调速系统,新型器件的不断涌现，使变频技术获得了迅速发展。以普通晶闸管构成的方波形逆变器被全控型高频率开关组成的PWM逆变器取代后，SPWM逆变器及其专用芯片得到普遍应用。磁通跟踪型PWM逆变器以其控制简单，数字化方便，而呈现出取代传统SPWM逆变器的趋势。另外，电流跟踪型PWM逆变器及滞环电流跟踪型PWM逆变器，均受到了重视。在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制技术取得了突破性的进展。７０年代初提出的矢量控制理论，使交流调速获得了与直流调速同样优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代，８０年代中期又提出了直接转矩控制理论，其控制结构简单，便于实现数字化，所以变频调速是最有前途的一种交流调速方式。,第一节异步电动机变频调速系统,一.变频调速基本原理1.调速原理根据电机学原理可知，异步电动机的转速为,,,,,式中，,异步电机同步转速；,,定子供电频率；,,电动机的极对数；,,转差率。,第一节异步电动机变频调速系统,由此可见，若能连续地改变异步电动机的供电频率,就可以平滑地改变电动机的同步速度及电动机轴上的转速，从而实现异步电动机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。变频调速的最大特点是电动机从高速到低速，其转差率始终保持最小的数值，因此变频调速时，异步电动机的功率因数都很高。它需要特殊的变频装置供电，以实现电压和频率的协调控制。,第一节异步电动机变频调速系统,三相异步电动机定子每相电动势的有效值是6-3式中，定子绕组每相串联匝数，基波绕组系数每极气隙磁通。由式6-3可见，只要控制好和，便可达到控制的目的，对此，需考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。,,,,第一节异步电动机变频调速系统,2.基频以下调速由式6-3可知，要保持不变，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低使常数即采用恒电动势频比控制方式。当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏阻抗压降，而认为定子相电压，则得常数这是恒压频比的控制方式。,,,,第一节异步电动机变频调速系统,3.基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从往上提高，但电压却不能在上增加了，最多只能保持不变。由式6-3可知，这将迫使磁通与频率成反比地减少，相当于直流电动机弱磁升速的情况。图6-1恒压频比控制特性图6-2异步电动机变频调速控制特性,,,,,,,,第一节异步电动机变频调速系统,二.正弦波脉宽调制（SPWM）原理（一）SPWM逆变器的工作原理1.基本概念为了更好地控制异步电动机速度，不但要求变频器输出频率和电压大小可调，而且要求输出波形尽可能接近正弦波。当用一般变频器对异步电动机供电时，存在谐波损耗和低速运行时转矩脉动的问题。为了提高电动机的运行性能，要求采用对称的三相正弦波电源为三相交流电动机供电。因而我们期望变频器输出波形为纯粹的正弦波形。随着电力电子技术的发展，使各种半导体开关器件的可控性和开关频率获得了很大的发展，使得这种期望得以实现。,第一节异步电动机变频调速系统,在采样控制理论中有一个重要结论，冲量（窄脉冲的面积）相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。该结论是PWM控制的重要理论基础。我们将图6-3a所示的正弦波分成N等份，即把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成。这些脉冲宽度相等（均为π/N），但幅值不等，其幅值是按正弦规律变化的曲线。我们把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦脉冲的中点重合，且使各矩形脉冲面积与相应各正弦部分面积相等，就得到图6-3b所示的脉冲序列。根据上述冲量相等效果相同的原理，该矩形脉冲序列与正弦半波是等效的。,第一节异步电动机变频调速系统,同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。由图6-3可见，各矩形脉冲在幅值不变的条件下，其宽度随正弦规律变化。这种宽度按正弦规律变化并和正弦波等效的矩形脉冲序列称为SPWM（SinusoidalPWM）波形。图6-3b的矩形脉冲系列就是所期望的变频器输出波形。通常将输出为SPWM波形的变频器称为SPWM型变频器。显然，当变频器各开关器件工作在理想状态下时，驱动相应开关器件的信号也应为与图6-3b形状相似的一系列脉冲波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，即变频器中的变流器采用不可控的二极管整流器就可以了。,第一节异步电动机变频调速系统,图6-3与正弦波等效的等幅脉冲序列波a正弦波形b等效的正弦波形,,第一节异步电动机变频调速系统,2.工作原理图6-4（a）是SPWM变频器的主回路。VT1-VT6是逆变器的六个功率开关器件，VD1-VD6用于处理无功功率反馈的二极管。整个逆变器由三相整流器提供的恒值直流电压US供电。图6-4（b）是它的控制电路，一组三相对称的正弦参考电压信号urA、urB、urC有参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所有要求的输出频率范围内可调；其幅值也可在一定范围内变化，以决定输出电压的大小。,第一节异步电动机变频调速系统,,第一节异步电动机变频调速系统,控制方式单极式和双极式采用单极式控制时，在正弦波的半个周期内每相只有一个功率开关开通或关断。其调制情况如图6-5所示。采用双极式控制时，在同一桥臂上下两个功率开关交替通断，处于互补的工作方式，其调制情况如图6-6所示。,第一节异步电动机变频调速系统,图6-5单极性脉宽调制模式（单相）图6-6双极性脉宽调制模式（单相）,,,第一节异步电动机变频调速系统,（二）SPWM逆变器的调制方式在SPWM逆变器中，三角波电压频率ft与参照电压频率fr之比Nft/fr称为载波比，也称调制比。根据载波比的变化与否，PWM调制方式可分为同步式、异步式和分段同步式。1.同步调制方式2.异步调制方式3.分段同步调制方式,第一节异步电动机变频调速系统,1.同步调制方式载波比N等于常数时称同步调制方式。同步调制方式在逆变器输出电压每个周期内所采用的三角波电压数目是固定的，因而所产生的SPWM脉冲数是一定的。其优点是在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。而且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有1200相位移的对称关系。缺点是当逆变器输出频率很低时，每个周期内的SPWM脉冲数过少，低频谐波分量较大，使负载电动机产生转矩脉动和噪声。,第一节异步电动机变频调速系统,2.异步调制方式为消除上述同步调制的缺点，可以采用异步调制方式。即在逆变器的整个变频范围内，载波比N不是一个常数。一般在改变参照波频率f时保持三角波频率f不变，因而提高了低频时的载波比，这样逆变器输出电压每个周期内PWM脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了调速系统的低频工作特性。但异步控制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优点。当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是３的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电动机工作不平稳。,第一节异步电动机变频调速系统,3.分段同步调制方式实际应用中，多采用分段同步调制方式，它集同步和异步调制方式之所长，而克服了两者的不足。在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点，在低频运行时，使载波比有级地增大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。具体地说，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N值取大些。采用分段同步调制方式，需要增加调制脉冲切换电路，从而增加控制电路的复杂性。,第一节异步电动机变频调速系统,（三）SPWM波的实现SPWM波就是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定功率器件的开关时刻，从而得到其幅值不变而宽度按正弦规律变化的一系列脉冲。SPWM波可通过模拟电路、数字电路或专用的大规律集成电路芯片等硬件实现，也可用微型计算机通过软件生成。如何计算SPWM的开关点，是SPWM信号生成中的一个难点，也是当前人们研究的一个热门课题。生成SPWM波的方法由多种，但其目标只有一个，尽量减少逆变器的输出谐波分量和计算机的工作量，使计算机能更好地完成实时控制任务。,第一节异步电动机变频调速系统,关于开关点的算法，可分为两类一是采样法，二是最佳法。采样法是从载波与调制波相比较产生SPWM波的思路出发，导出开关点算法，然后按此算法实时计算或离线算出开关点，通过定时控制，发出驱动信号的上升沿或下降沿，形成SPWM波。最佳法则是预先通过某种指标下的优化计算，求出SPWM波的开关点，其突出优点是可以预先去掉指定阶次的谐波，最佳法计算的工作量很大，一般要先离线算出最佳开关点，以表格形势存入内存，运行时再查表进行定时控制，发出SPWM信号。这里讨论几种常用的算法。,第一节异步电动机变频调速系统,1.自然采样法根据SPWM逆变器的工作原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关元件的通断，这种生成SPWM波的方法称为自然采样法。如图6-7中，截取了任意一段正弦波与三角波的一个周期长度内的相交情况。A点为脉冲发生时刻，B电为脉冲结束时刻，在三角波的一个周期Tc内，t2为SPWM波的高电平时间，称作脉宽时间，t1与t3则为低电平时间，称为间隙时间。显然。定义调制波与载波的幅值比为调制比MUrm/Utm，设三角载波幅值Utm1，则调制波,,,第一节异步电动机变频调速系统,式中ω为调制波角频率，即输出角频率。A、B两点对三角波的中心线来说是不对称的，因此，t2分成的t2’和t2”两个互不相等的时间段，联立求解两对相似直角三角形，则得自然采样法虽能真实地反映脉冲产生与结束的时刻，却难以在实时控制中在线实现，因为，tA与tB都是未知数，t2≠t3，t2’≠t2”，求时需花费较多的计算时间。即使可先将计算结果存入内存，控制过程中查表定时，也会因参数过多而占用计算机太多内存和时间，所以，此法仅限于调速范围有限的场合。,,,,,,第一节异步电动机变频调速系统,图6-7自然采样法,,第一节异步电动机变频调速系统,2.规则采样法规则采样法就是在三角载波每一周期内的固定时刻，找到正弦参考波上的对应电压值，以此值对三角波进行采样以决定功率元件的通、断时刻。图6-8a所示为规则采样Ⅰ法生成的SPWM波。它以三角波正峰值时找到正弦波上的对应点D点，得到，用对三角波采样，得到A、B两点。可见，在此法中，开关点A、B位与正弦波的同一侧，这使所得的脉冲宽度明显偏小，从而造成较大的控制误差。而在图6-8b所示的规则采样Ⅱ法中，以三角波的负峰值时找到正弦波上的对应点E，得到，再用对三角波采样，得到A、B两开关点。可见，此时A、B两开关点位于正弦波的两侧，这样减少了脉宽生成误差，使所得SPWM波更为准确。,,,第一节异步电动机变频调速系统,图6-8规则采样法a规则采样Ⅰ法b规则采样Ⅱ法,,,第一节异步电动机变频调速系统,在规则采样法中，每个三角载波周期的开关点都是确定的，所生成的SPWM波的脉冲宽度和位置可预先计算出来。由图6-8b的几何关系得到脉宽时间为式中，为三角波的中点即负峰值。间隙时间为,,,第一节异步电动机变频调速系统,3.指定谐波消除法以消去输出电压中某些指定次数谐波（主要是低次谐波）为目的，通过计算来确定各脉冲的开关时刻，这种方法称为低次谐波消去法。在该法中，已经不用三角载波和正弦调制波的比较产生，但其目的仍是使输出电压波形尽可能接近正弦波，因此，也算是SPWM波生成的一种方法。该法可以很好地消除指定的低次谐波，但是剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会增大，但它们的次数已比所消去的谐波次数高，因而较易滤去。,第一节异步电动机变频调速系统,三、U/F变频器调速系统（一）U/F控制方式及其机械特性异步电机要求在调频的同时，改变定子电压U1以维持Φm近似不变。根据U1与f1配合得到不同的控制方式。1.恒压恒频时异步电动机的机械特性（6-4）当定子电压U1和频率f1都为恒定值时，可以把它改写成如下的形式（6-5）,,,第一节异步电动机变频调速系统,当s很小时，转矩与s近似成正比，机械特性是一段直线；当s较大时，转矩近似与s成反比，机械特性是对称于原点的一段双曲线,机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，如图6-9所示。图6-9恒压恒频时异步电动机的机械特性图6-10恒压频比控制时变频调速的机械特性,,,第一节异步电动机变频调速系统,2.电压、频率协调控制下的机械特性1）恒U1/ω1控制当U1/ω1等于恒值时，最大转矩Temax随叫频率ω1的变化关系为可见Temax是随着ω1的降低而减小的。频率很低时，Temax太小将限制调速系统的带载能力。采用定子压降补偿，适当提高电压U1可以增强带载能力如图6-10所说。,,,第一节异步电动机变频调速系统,2）恒控制恒控制时的机械特性方程式可由异步电动机稳态等效电路导出，如图6-11所示。从等效电路图中可以得出（6-8）将式（6-8）代入电磁转矩基本关系式，得（6-9）这就是恒时的机械特性方程式。,,,,第一节异步电动机变频调速系统,图6-11异步电动机的稳态等效电路,,第一节异步电动机变频调速系统,与恒压频比控制时相同，当s较小时，转矩近似与s成正比，机械特性是一段直线；当s较大时，转矩近似与s成反比，机械特性是对称于原点的一段双曲线，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡。不同的是，恒控制的转矩公式分母中含s项要小于恒控制控制的转矩公式中的同类项，因此，恒控制控制的机械特性线性段范围会更宽一些。图6-12中同时绘出了不同协调控制方式的机械特性。将式（6-9）对s求导，并令，求得恒控制时异步电动机的最大转矩为6-13可见，保持恒定进行变频调速时，最大转矩保持不变。所以恒控制的稳态性能是优于恒压频比控制的，它正是恒压频比控制时补偿定子阻抗压降所追求的目标。,,,,,,,,,第一节异步电动机变频调速系统,图6-12不同协调控制方式的机械特性,,第一节异步电动机变频调速系统,3）保持电压为额定值的恒功率控制方式和机械特性在基频以上调速时，应保持定子电压为额定值不变，即。相应最大转矩为（6-16）可见，保持电压为额定值进行变频调速时，最大转矩将随的升高而减少。机械特性如图（6-13）所示。,,,第一节异步电动机变频调速系统,图6-13保持时变频调速机械特性,,,第一节异步电动机变频调速系统,（二）V/F控制系统组成及工作原理最简单的变频传动系统是采用电压、频率协调控制的转速开环系统，这种变频传动系统由于没有测速反馈，其调速性能差于转速闭环系统。因此，适用于对调速要求不高的场合，例如，风机、水泵等的节能调速就经常采用这种系统。1.恒压频比控制的转速开环电压型变频调速系统该系统控制方式为额定频率一下采用恒磁通调速（ΦmΦmN），保持U1/f1，并在低频段补偿定子漏阻抗压降；在额定频率以上则保持U1U1N，为近似恒功率调速。2.恒压频比控制的转速开环电流型变频调速系统,第一节异步电动机变频调速系统,3.数字控制的SPWM变频调速系统现代SPWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的SPWM信号。微机芯片主要采用８位或１６位单片机，３２位的DSP，现在已有应用RISC的产品出现。SPWM信号可以由微机本身用软件实时计算或用查表法生成，也可采用专用的SPWM集成电路芯片。需要设定的信息主要有曲线、工作频率、频率上升时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，因此，频率设定信号须通过给定积分算法产生平缓的控制作用。SPWM变压变频器的基本控制作用如图6-17所示。,第一节异步电动机变频调速系统,图6-17SPWM变压变频器的基本控制作用,,第6章,第二节数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求,第二节数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求,一、数控机床对主轴驱动的要求数控机床对主轴驱动的要求和进给驱动有很大的差别。机床主传动的工作运动通常是旋转运动，无需丝杠或其它直线运动的装置。在60年代中期，采用三相感应电机配上多级变速箱还认为是机床主轴传动的满意结构。随着生产率的不断提高，机床结构有了很大的改进。由于要求进一步提高机床的生产率和刀具的利用率，对主轴驱动提出了更高的要求。这包括要求主传动电机应有2.2～250kW的功率范围，既要能输出大的功率，又要求主轴结构简单。然而小的恒功率调速范围却使机械传动不能全部取消。要改善主轴的动态性能，需要主传动有更大的无级调速范围，如能在100～10001的范围内进行恒转矩调速和101的恒功率调速。而且要求在主轴的两个转向中在任一个方向都可进行传动和减速，即要求有四象限的驱动能力。,第二节数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求,在数控机床中，数控车床要占42，数控钻、镗和铣床占33，数控磨床、冲床占23。其它只占2。为了满足最大量的前二类数控机床的要求，如为使数控车床等具有螺纹车削功能，要求主轴能与进给驱动实行同步控制，在加工中心上为了自动换刀也要求主轴能进行高精度定位控制，有的数控机床还要求主轴具有角度分度控制的功能。另外，主轴驱动装置应提供加工各类零件所需的切削功率，无论在何种速度这取决于不同的材料，如加工钢或铝等，用各种不同刀具类型的加工方法，都必须提供所需的切削功率。因此，要求主轴驱动在尽可能大的调速范围内保持恒功率的输出。,第二节数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求,随着刀具的不断改进，切削速度日益提高，及提高生产率的愿望，都要求机床主轴的速度和功率能不断的提高。此外，现有的主轴转速范围还必须扩大，因为加工一些难加工材料所要求的转速范围相差很大，如钛需要低速加工，而铝合金材料则需要高速加工。而用齿轮变速箱满足这类要求的方法业已过时。,第二节数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求,现在，国际上新生产的数控机床已有85采用交流主轴驱动系统。这是因为一方面制造交流电动机不象直流电机那样在高转速和大容量方面受到限制，另一方面，目前的交流主轴驱动的性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低，而在价格上却不比直流主轴驱动贵。,第二节数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求,二、数控机床对主轴电机的要求一直流主轴电机1．结构特点为了满足上述数控机床对主轴驱动的要求，主轴电机必须具备下述性能①电输出功率要大；②在大的调速范围内速度应该稳定，而且恒功率的速度范围宽；③在断续负载下电机转速波动小；④加速和减速时间短；⑤电机温升低；⑥振动、噪声小；⑦电机的可靠性高，寿命长，维护容易；⑧体积小，重量轻，与机械连接容易；⑨电机过载能力强。,第二节数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求,直流主轴电动机的结构与永磁式直流伺服电机的不同，因为要求主轴电机有大的输出功率，所以在结构上不做成永磁式，而与普通直流电机相同，其示意如图6-18所示。由图可见，直流主轴电机也是由定子和转子两大部分组成。转子与永磁直流伺服电机的转子相同，由电枢绕组和换向器组成。而定子则完全不同，它由主磁极和换向极组成。有的主轴电机在主磁极上不但有主磁极绕组，还带有补偿绕组。这类电机在结构上的特点是，为了改善换向性能，在电动机结构上都有换向极，为缩小体积，改善冷却效果，以免使电动机热量传到主轴上，采用了轴向强迫通风冷却。为适应主轴调速范围要宽的要求，一般主轴电机都能在调速比1100的范围内实现无级调速，而且在基本速度以上达到恒功率输出，在基本速度以下为恒转矩输出，以适应重负荷的要求。电机的主极和换向极都采用矽钢片叠成，以便在负荷变化或在加速，减速时有良好的换向性能。电动机外壳结构为密封式，以适应恶劣的机加工车间的环境。在电动机的尾部一般都同轴安装有测速发电机作为速度反馈元件。,第二节数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求,图6-18直流主轴电动机结构示意图图6-19直流主轴电动机的转矩转速特性曲线1功率特性曲线2转矩特性曲线,,第二节数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求,由特性曲线图可见，在基本速度以下时属于恒转矩范围，用改变电枢电压来调速。在基本速度以上属于恒功率范围，采用控制激磁的调速方法调速。一般来说，恒转矩的速度范围与恒功率的速度范围之比为120。另外，直流主轴电机一般都有过载能力，且大都以能过载荷150即为连续额定电流的1．5倍为指标。至于过载时间，则根据生产厂的不同，有较大的差别，从1min至30min不等。,第二节数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求,二交流主轴电机1．结构特点交流伺服电机的结构有笼式感应电机和永磁式同步电动机二种结构，而且大都为后一种结构形式。而交流主轴电动机的情况则与伺服电动机不同。交流主轴电动机均采用感应电动机的结构形式。这是因为受永磁体的限制，当容量做得很大时，电动机成本太高，使得数控机床无法使用。更重要的原因是，数控机床主轴驱动系统不必像伺服驱动系统那样，要求如此高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用感应电动机进行矢量控制就完全可满足数控机床主轴的要求。,第二节数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求,众所周知，笼式感应电动机在总体结构上是由有三相绕组的定子和有笼条的转子构成。虽然，也有直接采用普通感应电动机当作数控机床的主轴电动机用的，但一般来说，交流主轴电动机是专门设计的，各有自己的特色。如为了增加输出功率，缩小电动机的体积，都采用定子铁心在空气中直接冷却的办法，没有机壳。而且在定子铁心上作有轴向孔以利通风等。为此在电动机外形上是呈多边形而不是圆形。交流主轴电动机结构和普通感应电动机的比较如图6-20所示。,第二节数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求,2．交流主轴电动机性能和直流主轴电动机一样，交流主轴电动机也是由功率速度关系曲线来反映它的性能，其特性曲线如图6-21所示。从图中曲线可见，交流主轴电动机的特性曲线与直流主轴电动机类似，在基本速度以下为恒转矩区域，而在基本速度以上为恒功率区域。但有些电动机，如图中所示那样，当电动机速度超过某一定值之后，其功率速度曲线又往下倾斜，不能保持恒功率。对于一般主轴电动机，这个恒功率的速度范围只有13的速度比。另外，交流主轴电动机也有一定的过载能力，一般为额定值的1.2～1.5倍，过载时间则从几分钟到半个小时不等。,第二节数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求,1一交流主轴电动机2一普通感应电动机3冷却通风孔图6-21交流主轴电动机的特性曲线图图6-20交流主轴电动机与普通感应电动机比较示意图,,第6章,第三节直流主轴控制单元,第三节直流主轴控制单元,直流主轴控制系统的框图如图6-22所示。由框图可见，主轴控制系统类似于直流速度控制系统，它也是由速度环和电流环构成双环速度控制系统，来控制直流主轴电动机的电枢电压进行恒转矩调速。控制系统的主回路采用反并联可逆整流电路，因为主轴电动机的容量较大，所以主回路的功率开关元件大都采用晶闸管元件，主轴直流电动机调速还包括恒功率调速，它是由框图中上半部分的激磁控制回路完成。,第三节直流主轴控制单元,图6-22直流主轴控制系统框图,,第三节直流主轴控制单元,因为主轴电动机为他激式电动机，激磁绕组与电枢绕组无直接关系，需要由另一直流电源供电。激磁控制回路由激磁电流设定电路、电枢电压反馈电路及激磁电流反馈电路组成三者的输出信号，经电流调节器、电压／相位变换器来决定晶闸管控制极的触发脉冲的相位，从而控制激磁绕组的电流大小，完成恒功率控制的调速。一般来说，采用主轴控制系统之后，只需要二级机械变速，即可满足一般数控机床的变速要求。,第6章,第四节交流主轴控制单元,第四节交流主轴控制单元,一、矢量控制变频调速系一矢量控制的概统念矢量控制理论由德国的F．B1aschke等人于1971年提出。矢量控制技术的应用使得交流调速真正获得了如同直流调速同样优良的性能。经过近30年工业实践的考验、改进与提高，目前已达到成熟应用阶段。,第四节交流主轴控制单元,我们知道，直流电动机具有两套绕组励磁绕组和电枢绕组，如图6-23a所示。两套绕组在机械上是独立的、在空间上互差90；两套绕组在电气上也是分开的，分别由不同电源供电，励磁电流im调节磁通Φm和电枢电流ia。在各自回路中分别可调、可控，是一种典型的解耦控制。在励磁电流im恒定时，直流电动机所产生的电磁转矩T和电枢电流ia成正比，控制直流电动机的电枢电流ia，就可以控制电动机的转矩T，在电枢电流ia恒定时，直流电动机所产生的电磁转矩T和励磁电流im成正比，控制直流电动机的励磁电流im，就可以控制电动机的转矩T。当进行闭环控制时，可以很方便地构成速度、电流双闭环控制系统，具有良好的静、动态性能。,第四节交流主轴控制单元,图6-23矢量控制原理a）直流电动机模型b三相交流异步电动机两相静止与旋转模型c矢量控制坐标变换,第四节交流主轴控制单元,矢量控制是把交流电动机解析成与直流电动机一样，根据磁场及其正交的电流的乘积就是转矩这一最基本的原理，从理论上将电动机定子侧电流分解成建立磁场的励磁分量和产生转矩的转矩分量的两个正交矢量来处理，然后分别进行控制，故称为矢量控制。也就是说，矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型，通过控制交流电动机定子电流的幅值和相位，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，具有与直流电动机调速类似或者更加优越的控制性能。,第四节交流主轴控制单元,二矢量控制原理我们首先对于三相异步电动机的情况进行以下分析1定子三相绕组通过正弦对称交流电时产生随时间和空间都在变化的旋转磁场。2转子磁场和定子旋转磁场之间不存在垂直关系。3笼式异步电动机转于是短路的，只能在定子方面调节电流，组成定子电流的两个成分励磁电流和转矩电流都在变化，同时存在非线性关系，因此对这两部分电流不可能分别调节和控制。,第四节交流主轴控制单元,异步电动机在空间上产生的是旋转磁场，如果要模拟直流电动机的电枢磁场与励磁绕组产生的磁场垂直，并且电枢和励磁磁场强弱分别可调，可设想如图6-23b所示的异步电动机M、T两相绕组旋转模型。该模型有两个互相垂直的绕组M绕组和T绕组，且以同步角频率ω1在空间旋转。M、T绕组分别通以直流电流im、it。im在M绕组轴线方向产生磁场，称Im为励磁电流，调节im大小可以调节磁场强弱。,第四节交流主轴控制单元,It在T绕组轴线方向上产生磁势，这个磁势总是与磁场同步旋转，而且总是与磁场方向垂直，调节it的大小可以在磁场不变时改变转矩大小，称it为转矩电流。Im、it分属于M、T绕组，因此分别可调、可控。可以想象，当观察者站到两相电动机铁心上和绕组一起旋转时，在他看来就是两个通以直流的相互垂直的固定绕组。如果取磁通位置和M轴重合，就和等效的直流电动机绕组没有差别了，其中，M绕组相当于励磁绕组，T绕组相当于电枢绕组，我们可以像控制直流电动机那样去控制两相旋转的交流电动机了。,第四节交流主轴控制单元,由此可见，将异步电动机模拟成直流电动机相似进行控制，就是将A、B、C静止坐标系表示的异步电动机矢量变换到按转子磁通方向为磁场定向并以同步速度旋转的MT直角坐标系上，即进行矢量的坐标变换。可以证明，在MT直角坐标系上，异步电动机的数学模型和直流电动机的数学模型是极为相似的。因此，人们可以像控制直流电动机一样去控制异步电动机，以获得优越的调速性能。,第四节交流主轴控制单元,三坐标变换与矢量变换下面仅以三相／二相3／2变换为例加以讨论。任何在空间按正弦形式分布的物理量都可以用空间向量表示。图6-24表示三相绕组a、b、c与之等效的二相绕组α、β各相脉动磁势矢量的空间位置。现假定三相的a轴与等效的α轴重合，磁动势波形是正弦分布的，且只计其基波分量。,第四节交流主轴控制单元,图6-24三相绕组与两相绕组等效图6-25旋转矢量变换图磁势空间位置图,第四节交流主轴控制单元,按照合成旋转磁势相同的变换原则，两套绕组瞬时磁势在α、β轴上的投影应相等，即FαFa-Fbcos60-FCcos60Fa-0.5Fb-0.5FCFβFbsin60-FCsin60按照磁势与电流成正比的关系，可求得对应的电流值iα与iβ，,第四节交流主轴控制单元,又根据旋转磁场原理，三相绕组的合成旋转磁势基波幅值为F1.35I3W6-21而两相绕组的合成旋转磁势基波幅值则为F0.9I2W6-22根据磁势相等的原则，由1.35I3W＝0.912W得6-23为使两套绕组的标幺值相等，将二相电流的基值定为三相绕组电流基值的3／2倍，则用标幺值表示时，I2I3，于是式6-19和6-20可分别改写为这就是三相／二相变换方程式。经数学变换，亦可得到二相／三相反变换式。,第四节交流主轴控制单元,经过矢量旋转变换，可以将二相α、β绕组和直流M、T绕组之间进行变换，这是一种静止的直角坐标系统与旋转的直角坐标系统之间的变换。以图6-25来说明这个变换原理。图中，F1是异步电动机定子旋转磁势的空间矢量。由于F1在数值上与定子电流有效值I1成正比，因此，用i1代替F1不过这时表示的仍是一空间矢量。Φ是旋转坐标轴的旋转磁通矢量。常取铰链转子绕组的磁通Φ2。作为这一基准磁通。稳态运行时，Φ和F1都以同步转速ω0旋转，其空间相位差为θ1。以Φ为基准，将i1（F1）分解成与Φ轴重合和正交的两个分量im和iT，它们相当于等效直流绕组M和T中的电流实际是磁势。两相绕组α和β在空间上的位置是固定的，因此，Φ和α轴的夹角ф随时间而变化。I1在α轴和β轴的分量iα和iβ也随时间变化，它们相当于α、β绕组磁势的瞬时值。,第四节交流主轴控制单元,由图可知，iα、iβ和Im、iT之间存在下列关系iαiMcosφ-iTsinφiβiMsinφ-iTcosφ这就是由旋转坐标变换到静止坐标的矢量旋转变换方程式。在实际控制系统中，为了运算与控制的简化，常采用直角坐标与极坐标的变换。实际的异步电动机矢量变换控制系统结构形式很多，并且在不断地发展。将交流电动机模拟成直流电动机加以控制，其控制系统也可以完全模拟直流电动机的双闭环调速系统，所不同的是其控制信号要从直流量变换到交流量，而反馈信号则必须从交流量变换成直流量。,第四节交流主轴控制单元,二、矢量变换控制系统原理及控制方案一矢量变换控制系统原理用逆变器供电的电气传动系统的设计可以分成两个独立步骤。第一步是加到被控电动机上的电压、电流等连续信号的设计;第二步是逆变器输出电压电流的设计。逆变器输出应准确地复现第一步设计中所要求的连续信号。第一步的设计可以用矢量变换控制理论来解决，但是矢量变换控制要求加到感应电动机上的电流、电压信号应该是严格对称的连续信号，而逆变器的输出并不是连续信号，这样就给提高矢量控制系统的控制精度带来了困难。因此，在第二步设计中，逆变器能否准确地复现矢量变换控制所要求的连续信号，将是十分重要的。,第四节交流主轴控制单元,交直交变频电路主要有两种，一种是电压型的，另一种是电流型的。根据逆变器不同的特点，可以设计出各种类型的矢量控制系统。为了更好地复现矢量控制系统所要求的连续信号，提高系统的控制性能，这里采用一种非线性的设计方法滑动模型控制法来设计定子电流控制环。利用矢量变换控制原理设计系统的控制外环速度环及磁通环，由此构成的矢量变换滑模控制系统框图如图5-4-4所示。系统主要具有以下特点1稳态时，由于速度、电流控制器的作用，使得速度、电流、电压等的误差等于零，即做到无差控制；2动态起动过程中，使转矩电流IT达到给定的最大限幅值，从而使异步电动机以设计的最大转矩起动；3有较快的电流跟踪能力；4同步转速以下采用恒转矩调速，同步转速以上采用恒功率调速；5出现故障时，自动保护。,第四节交流主轴控制单元,图6-26矢量变换滑差控制系统,,第四节交流主轴控制单元,二典型交流主轴驱动系统1．SIMODRIVE系列交流主轴驱动系统SIMODRIVE交流主轴驱动系统包括可靠的1PH6交流笼型感应电机和微处理器控制的6SC6500晶体管PWM变频器。这种驱动系统最适合于现代机床的要求，能保证最高的工作效率，并且不仅适用于单台机床，也适用于集成化的生产系统。,第四节交流主轴控制单元,SIMODRIVE6500晶体管PWM变频器可直接与三相交流50／60Hz，380V电源连接，并可对所有功率值作再生发电制动。德国西门子公司开发的TRANSVEKTOR控制原理，允许全部转矩可被利用直至电机的转速为零，从而保证了不受约束的定位能力，系统原理见图6-27。主轴系统若带有“C轴进给控制器”选件，那么也可取代C轴的全部操作功能。,第四节交流主轴控制单元,图6-27SIMODRIVE交流主轴驱动系统原理框图,,第四节交流主轴控制单元,SIMODRIVE6500晶体管PWM变频器留有可与西门子PG675／685编程器连接的接口，可以组成NC机床控制系统。这时，变频器的内部显示、操作和控制单元可支持主轴控制驱动系统的运行及故障诊断。操作人员可简便地通过编程器控制台，在编程器的屏幕上显示所有的主轴运行参数和简短的故障信号。一旦数据设定完成，可存人软磁盘，并可用于另外的同类机床。SIMODRIVE6500晶体管PWM变频器还留有可与西门子SINUMERIK810／820数控系统之间连接的接口。使用选件“数字式连接接口MPC”，可使数据转速设定值控制信号，监控和诊断值在SIMODRIVE主轴驱动和SINUMERIK810／820数控系统之间传输。光纤电缆在长距离传输时具有很高的抗干扰能力。,第四节交流主轴控制单元,2．FANUC-S系列交流主轴驱动系统FANUC-S系列交流主轴驱动系统是日本富士电机株式会社专门为数控机床生产的一种无级变速主轴系统。它的特点是用闭环调速，调速范围宽，可以不用齿轮箱或少用齿轮减速实现机床主轴的驱动，提高机床性能，可靠性高，节省能源。FANUC-S系列交流主轴驱动控制系统原理见图6-28，控制系统采用FANUC公司生产的零位传感器及位置编码器作检测装置，对12000r／min以上的高速电机采用磁性传感器作检测装置。可以实现主轴定向驱动。,第四节交流主轴控制单元,图6-28FANUC交流主轴驱动控制系统原理,第6章,第五节主轴定向控制,第五节主轴定向控制,一、主轴定向控制的意义所谓的主轴“定向”控制，即是命令运行中的主轴准确地停在某一确定的位置上，以便在该处进行换刀、检测等辅助工艺动作。传统方法是采用机械档块和电气制动来实现。采用机械档块定向时，主轴往往采用液压驱动方式。而采用电气制动定向时，定向精度难以保证。现代数控机床，无一例外地采用伺服技术的主轴定向。只要设置定向的位置参数，利用装在主轴上的位置编码器或磁性传感器作为位置反馈部件，在数控系统发出定向指令后，主轴就能准确地停在规定的位置完成