變頻器   數控機床  無速度傳感器  矢量控制

█ 引言

數字控制機床，簡稱數控機床（NC ， Numerical Control）,是三十年來綜合應用集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術為一體的機電一體化產品，在現代機床生產中，一般采用多電機拖動，主軸和各進給系統分別由各自的電機來拖動。由于機床加工范圍較廣，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求機床執行部件具有不同的運動速度，因此機床的主運動應能進行調速，主軸調速系統一般采用交流主軸系統，隨著變頻調速技術的發展，數控機床的主軸的交流拖動，同樣能夠很好滿足需要。主驅動電機通過皮帶傳動帶動主軸旋轉，或通過皮帶傳動和主軸箱內的減速齒輪(以獲得更大的轉矩)帶動主軸旋轉。由于主軸電機調速范圍廣，又可無級調速，使得主軸箱的結構大為簡化。

█ 數控機床對應用技術的要求

1、電機要求

通常要求用變頻電機，或者普通電機加風扇以滿足電機在低頻的散熱要求、并且要求電機調速范圍廣。

2、變頻器的技術要求

1）要求低頻力矩大

選用矢量變頻器，低頻時（1~10Hz）能出來150%額定轉矩。

2）轉矩動態響應速度快，穩速精度高

選用矢量變頻器，能實現很好的動態響應效果，依據負載的變化，通過輸出轉矩的變化很快做出響應，從而實現轉軸速度的穩定。

3）減速停車速度快

通常數控機床的加減速時間都是比較短的，加速時間靠變頻器的性能保證，減速時間則依靠外加制動電阻或制動單元。

4）進行電機參數自學習

選用矢量變頻器后，要達到很好的控制性能通常都需要對電機進行參數自學習，其目的是獲取準確的電機內部參數，以用于矢量控制計算。參數自學習所需要的電機銘牌參數有：電機額定功率、電機額定頻率、電機額定轉速、電機額定電壓、電機額定電流。有的變頻電機的銘牌上可能沒標額定轉速值，可以根據經驗值估計一下額定轉速。在進行參數自學習時，務必要在空載（電機軸上不接負載）的時候進行。只有在空載的時候才能保證自學習出來的電機參數的準確性。

       如果現場條件沒辦法進行空載運行，可以考慮用變頻器出廠的電機參數試運行。

5）頻率指令和運行指令

數控機床上使用的變頻器其頻率指令和運行指令都來源于CNC控制器，一般給定的的通道有兩種，一種是模擬量給定，另一種是多段速給定，或者兩者同時給定，以多段速優先。模擬量給定以電壓型模擬量為主，也有電流型的。變頻器對這兩種類型的模擬量都可以采集。

3、抗干擾問題

變頻器在出廠的時候作了很好的抗干擾試驗，具有很強的抗干擾能力，但變頻器同時也是一個干擾源，在使用中很難避免不對其它設備進行干擾，在數控機床上最容易被干擾的設備是CNC控制器。一旦CNC控制器受干擾后，系統將不能正常工作。特別是變頻器的頻率指令和運行指令也可能會受到干擾，干擾嚴重的會造成頻率指令不穩定，變頻器誤動作等。解決此類問題的辦法是在變頻器的輸出線上加磁環以減少高頻輻射。一般進口的CNC的抗干擾能力較強。

下面以CHV100系列高性能矢量變頻器在沈陽某數控機床廠的應用為例，講述數控機床的變頻調速控制技術。

█ 系統構成

█ 變頻器及數控系統的參數 
主要的參數和性能指標： 
5.5kW數控車床，電動機參數：

額定功率：5.5kW，     額定頻率：50Hz, 

額定電壓：380V，      額定電流：11A，

額定轉速：1440r/min   機械傳動比：1：1.5
加工材料：45#鋼
實際測試性能指標：（進刀性能及速度）

1、主軸轉速：200r/min（變頻器運行頻率9～10Hz）

參數設定：

P0.01=1 端子控制

P0.03=1 AI1頻率設定（信號來源于數控系統）

P0.07=150.00Hz （最大頻率）

P0.08=150.00Hz

P0.11=8S（加速）

P0.12=4S（減速）

P5.02=1（S1正轉）

P5.02=2（S2反轉）

P5.02=9（S3外部故障輸入）

P5.02=7（S4故障復位）

P5.19= （0.50S AI1濾波時間）

P6.01=7（Y1輸出 頻率達到）

P6.04=3 （RO1輸出 故障輸出）

P6.05=19 （RO2輸出 變頻器運行中）

Pd.01=4 （S3輸入取反）

電機參數設定：

P2.01=50.00Hz

P2.02=1440RPM

P2.03=380V

P2.04=11.0A

P2.05=5.5Kw

P2.06=0.875

P2.07=0.875

P2.08=118.45

P2.09=114.21

P2.10=6.03

█ CHV100系列變頻器的特點

CHV100系列高性能矢量變頻器采用先進磁通控制技術，電機在低速時轉矩大，速度精度高，價格合理，功能齊全，具有瞬停電處理及速度跟蹤再啟動功能，確保系統實現連續運行機制，以保證電機運轉在最高效率狀態，因此，采用CHV100系列高性能矢量變頻器代替主軸交流伺服系統，是機床行業最佳的選擇。CHV100系列變頻器具有以下特點
（1）采用先進的磁通控制算法，實現了真正的無速度傳感器矢量控制，在控制性能上比傳

統的V/F控制方式有很大的改善。

（2）起動轉矩大，0.5Hz/150%（SVC），0Hz/180%（VC）

（3）載波頻率范圍0～16KHz；可根據溫度和負載的特性自適應調整

（4）提供標準的0～10V模擬量接口，能夠與大多數數控系統接口兼容，通用性強

（5）過負載能力強，150%額定輸出電流一分鐘；

（6）提供多功能的輸出端子信號，例如故障輸出信號，運行中信號，速度到達等輸出信號，能夠很好的滿足系統對于主軸速度狀態的監控；

█ 調試結果

事實證明采用CHV100系列高性能矢量變頻器完全能夠滿足機床主軸控制的要求。CHV100采用的領先的磁通算法，即使在低轉速（低頻）運行下也能平穩輸出150%的轉矩，以滿足不同零件的加工需要，完全可以取代傳統的滾動軸承主軸結構，并且此主軸結構簡單、緊湊、可以實現真正的無級調速。此主軸的轉速由外部模擬量信號來控制輸出頻率，在不同的加工工藝（如；粗加工、精加工等）需要不同的轉速，此時可由數控系統輸出不同的模擬量電壓信號給變頻器，實現不同的轉速，同時啟停信號也由數控系統控制，提高了自動化程度、延長了刀具的使用壽命。
█ 結束語
    數控機床主軸一般交流伺服系統、進口品牌矢量控制變頻器以及變頻專用電機，購置費用很高；CHV100系列變頻器以其獨特的性能（啟動電流小、調速平滑、調速范圍大、節能環保、運行穩定、精度高、低頻轉矩大、保護功能齊全、可靠性高、操作維護簡便等）和優越的性價比，在數控機床的應用上迅速崛起。

█ 參考文獻

1.《實用數控技術叢書》 2.《CHV矢量變頻器操作手冊》