浅析交流主轴电机的变频器控制

许蔡辉 麦智炜 王碧滢

(广东美的制冷设备有限公司，广东佛山顺德 528311)

浅析交流主轴电机的变频器控制

许蔡辉 麦智炜 王碧滢

(广东美的制冷设备有限公司，广东佛山顺德 528311)

随着科学技术的不断发展，人们在数控机床的加工精度要求越来越高，以胜任更复杂的产品加工制造需要。虽然在这方面已经取得了不小的成就，但是仍面临一些问题和存在不足，仍然需要加深对数控机床的主轴驱动系统的控制。本文对交流主轴电机的变频器控制进行了分析。

数控机床；交流主轴电机；控制

数控机床主轴驱动系统作为机床最核心的关键部件之一，其输出性能对数控机床的整体水平是至关重要的。在加工过程中，主轴驱动为了维持恒定、最优的切削速度，必须相应于切削半径的变化连续地调速，以确保加工的稳定性和较高的生产率。当加工部件的切削内、外半径相差很大时，主轴速度的变化将达到几倍，甚至十几倍，在如此快速的变化下很难做到对系统的精准控制，这就需要采取措施适当的对系统进行调速。不难看出，主轴驱动需要对速度精度、动态刚度具有很高的要求，而且要求连续输出的高转矩能力和非常宽的恒功率运行范围。交流主轴电机作为核心器件，它是保证整个系统正常运行的基础，能够很好的提高系统的整体工作效率的同时又减少运行成本的支出，这时最理想的方式就是选择变频器来进行调速控制，简化了操作流程，便于后期的保养和维修。在实际的工作中需要结合机床主轴的性能选择适合的控制方法，这样才能提高变频交流主轴电机的性能。

1 数控机床系统概述

在机床数控系统，由工业微机IPC、进给控制、辅助控制和主轴转速控制四个基本部分组成。它们通过工业微机IPC的外部总线连接在一起，依靠双端口RAM传输数据。工业微机IPC是系统的核心，它的主要功能为提供可视化的人机操作界面，完成数据和指令的发送、接收，对其他的功能模块进行控制，以完成对应的工作任务等，从而实现对机床的准确控制，保障产品的生产质量。辅助控制部分包括机床的冷却系统、油压系统与刀具等方面的控制。

在实际工作中通过测量我们发现：交流电机变频调速时，它的频率发生变化会引起磁通量发生变化，进而又反过来影响频率的准确性，如何消除这种相关性是目前面临的最主要的一个研究方向。通过实验的研究发现，普通电机在向下调速时，改变外部输入的交流电频率（＜50Hz），会因为磁通量的变化产生一个励磁电流，进而导致功率因数和电机负载能力下降，从而使得电机的控制效果受到了影响，造成控制精度不准确。倘若能够设法同时降低交流电压幅值(U)、则可维持不变，达到恒磁通变频调速。

2 交流主轴电机变频器控制原理

交流主轴驱动与变频器都属于感应电机变频方式，它们的工作原理各不相同，但是都能够达到控制电机速度的效果，根据两者之间不同的性能差异使得它们的应用途径各不相同，交流主轴驱动主要用在专用电机的调速中，变频器则被用在普通电机的调速中。随着科技的进步，矢量控制成为新一代变频器的控制方式，它能够很好的弥补传统变频器存在的不足，在准确度、工作效率等方面具有很大的提升。通常电机参数设置越准确，调速功能则越强。然而大多数与电机配套使用的通用变频器无法确定不同厂家的电机参数，这就严重的影响到了实际的控制效果，使得控制过程中出现不同程度的误差。

要想提高变频器的调速性能，就必须运用数学模型来实现对变频器对电机的控制。在市场上就有这样一款变频器产品，它能够做到比同类产品更加精准的控制效果，而且成本比较低廉，它的参数设置也比较接近多数通用电机，这就使得它被广泛的使用在先进的数控机床系统中。交流主轴驱动器与变频器在感应电机中执行控制调速的功能，设计人员可根据实际情况选择合适的电机控制器作为机床系统的设计，在选择驱动器时需要对其生产厂家的资质及相应产品进行核实，并对其能够实现相应功能进行严格的测试，从而挑选合适的产品来用进行数码机床的电机调速控制。对变频器进行优化时，需要借鉴这一经验，提高变频器的控制功能以及各项性能。变频器采用矢量控制的方式，可以提高交流主轴电机的性能，而且可以充分的发挥出调速功能。

3 电机变频器参数的调控

矢量控制变频器因为其各方面的优异性能，使得它在交流主轴电机的应用较为广泛，在设计数码机床系统的同时，需要考虑到未来系统维护的便捷性，针对变频器及其配套设备进行合理的配置，充分的实现其精准的控制效果。交流主轴电机的参数设置要明显的不同于普通感应电机，因此它不适合直接用作对电机进行控制，否则很难达到预期的效果。这就需要在使用前针对交流主轴电机对变频器参数进行重新设定，这样才能够达到准确的控制调速的目的。第一步，先按照操作流程将主轴电机与主轴分离开；第二步，设定频率的相关参数及控制范围；第三步，连接输出线路并检查线路的连接是否正常；最后就是按照机器的使用说明进行调试。调试模式有快速调试与高级调试两种，通常选择前者作为安装后的调试处理，这可根据实际的现场需要来进行考虑。

技术人员在完成电机基本参数的设定后，按下变频器的“自动调整（自学习）”功能，这时机器内部就会自动的开始执行预定的程序，完成矢量控制所需要的全部电机参数的测试。自动调整由系统内部的相应操作单元来实现，它通过不断的测试电机在不同转速下的旋转情况，来完成参数的自动修复和设定。该流程结束后就可以按照相应的操作说明来对变频器进行连线，确保交流主轴电机能够正常的工作。

4 感应电机交流主轴驱动系统的控制策略

感应电机根据转子的结构，分为绕线式和鼠笼式两种类型。鼠笼式电机的结构并不复杂，而且它具有很高的工作效率，同时便于操作使用，它通常被作为感应电机主轴驱动系统的核心部件，这也是考虑到系统便捷性的角度出发的。鼠笼式电机具有转动惯量低、耐高温、转速快、价格低廉等特点，这也是它被广泛运用的主要原因，然而它的不足之处在于功率和体积较大，是同类普通产品的2倍，这也制约了它在某些要求较高的地方的应用。同时其起动电流不再受换向器的限制，因此其功率范围远大于直流电机，定子电压可达到15kv，甚至更高。

感应式主轴电机的控制无一例外地采用磁场定向技术.它可以实现对转矩和磁通的分别控制，进而获得较高的动态性能，磁场定向控制技术又分为间接磁场定向和直接磁场定向两种实现方式。间接转子磁场定向控制技术相对操作简单易行，现有的技术能够实现相应的功能，不足之处在于它对电机的参数要求很高，提起的控制性能会随着电机参数的变化而下降，这在实际的系统设计中需要考虑到的一个问题。实际上，电机运行过程中，其转子时间常数可以在400%的范围内变化，因此现代主轴控制器均采用辨识、估算和自整定技术对参数变化在线补偿。这导致新的问题出现，就是当功率恒定不变时，磁场环境较弱会使得系统的滑差增益不能够被动态补偿，从而导致磁通和转矩的振荡。直接定子磁场定向技术、绕组切换技术及铁耗自适应补偿技术等新技术的出现很好的解决了这样的问题，它们能够很好的弥补原有技术的存在的缺陷，有效的提高控制的效果。

结束语

综上所述，数控机床的加工精度体现的是机床加工的数控水平，更进一步显示的是工业化水平。提高对数控机床的变频器控制的策略认识，能有效改善数控机床在改造和维修的促进前提下，加快数控机床的发展进度。

[1]赵云,刘洋,李叶松.实现感应电机宽范围最大转矩控制的电流优化策略[J].中国电机工程学报,2012,32(3):67-74.

[2]邓新锦,曾岳南,陈康平.主轴驱动用异步电机的弱磁控制算法研究[J].组合机床与自动化加工技术,2014(4):94-96.

[3]姬清华,连黎明.高精度数控机床主轴伺服控制系统研究[J].制造业自动化,2012,34(6):79-81.

The inverter control of ac spindle motor

Xu Caihui Mai Zhiwei Wang Biying
（Guangdong Midea Refrigeration Equipment Co. Ltd., 528311）

In order to processing more complex products, the machining accuracy of numerical control machine is more demanding than ever before with the continuous development of science and technology. Although some achievements have been made, it still has shortage in spindle drive system of numerical control machine. In this paper the inverter control method of ac spindle motor is analyzed.

Numerical control machine; Ac spindle motor; Control