一種高性能的交流伺服系統(tǒng)
王 偉 (齊齊哈爾和平機器廠)
1概述
目前，我國數(shù)控機床行業(yè)應用普遍的仍是直流伺服系統(tǒng)，國外現(xiàn)在數(shù)控機床基本上都已使用了交流伺服系統(tǒng)，大大降低了伺服系統(tǒng)的故障率。
交流進給電機為三相永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，采用高磁能積永磁材料，抗退磁能力強，重量輕，體積小(僅為同類型直流電機的一半)，有高的功率重量比。轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應快(20～40ms)，全封結(jié)構(gòu)(IP64)，制造精度高，振動噪聲小(52～70dB)，可以方便的正、反轉(zhuǎn)，加、減速，幾乎零轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速范圍均可穩(wěn)定調(diào)速，電機調(diào)速比高達1 s 10000。電機帶溫度監(jiān)控自動保護元件，保證電機可靠運行。選用光電編碼器與數(shù)控裝置成組后，其****理論定位精度可達(1～2μm)。電機綜合技術(shù)經(jīng)濟指標全優(yōu)于直流電機。
電機由PWM晶體管脈寬調(diào)制變頻控制，機箱結(jié)構(gòu)緊湊，模塊式設(shè)計，可采用延擴結(jié)構(gòu)，最多可同時控制6個軸，保護功能齊全，無源的參數(shù)模塊可適用于用戶特定的參數(shù)設(shè)定，適用性強。
交流主軸電機為三相異步電動機，鼠籠型結(jié)構(gòu)，堅固耐用，具有低的轉(zhuǎn)動慣量。轉(zhuǎn)矩、速度響應快。恒功率范圍≥1：4。調(diào)速范圍1：1000，****轉(zhuǎn)速仍具有平滑的轉(zhuǎn)動特性。防護等級高(IP54)。采用雙軸承結(jié)構(gòu)，電機運行穩(wěn)，可承受較大徑向力，電機帶溫度監(jiān)控。流主軸電機驅(qū)動變頻器是以微處理機為核心的處理系統(tǒng)，采用矢量控制和晶體管脈寬調(diào)制技術(shù)，且有自診斷、自保護、自動監(jiān)控、事故自動復原等近代調(diào)速系統(tǒng)所必備的功能，具有再生制動功能，保證電機在4個象限可靠工作。
2交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)
2．1交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)的組成
交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)由6SC50型晶體管脈寬調(diào)制變頻器、1PH5和1PH6三相鼠籠式電機、軸編碼器和反饋電纜等組成。
2．2交流主軸驅(qū)動原理
主軸電機是三相鼠籠式感應電動機，為了控制這種電機，引入了一種以磁場控制基礎(chǔ)的新概念，過去對這種電機控制是基于非線性回路，而現(xiàn)在提出了線性關(guān)系，這就是西門子公司開發(fā)的’rRANSVEKTOR矢量控制系統(tǒng)。
為了獲得一種與直流驅(qū)動裝置相差無幾的控制系統(tǒng)，我們需將電機的磁通分量和轉(zhuǎn)矩分量取出來，這兩個機械參數(shù)的分離是由微處理器中的計算模型實現(xiàn)。該計算模型用來產(chǎn)生指令信號，以便根據(jù)頻率、相位和量級確定驅(qū)動參數(shù)，合成的定子電流矢量被分解為磁通矢量的真實分量和理想分量。真實分量代表形成磁通的電流，理想分量代表形成轉(zhuǎn)矩的電流。
磁場保持著相當于基本轉(zhuǎn)速的常量，該區(qū)域同恒定功率區(qū)相鄰接，后者的特點是磁場以不同的梯度削弱。
這種電流矢量作為磁通矢量相位函數(shù)的方法(稱為磁場定向)使我們能夠分別控制轉(zhuǎn)矩和磁通量，由此獲得控制質(zhì)量能同直流伺服的控制質(zhì)量相當。
為了達到系統(tǒng)所要求的運算速度，我們采用兩個16位微處理器(intel公司的80186)、電流和轉(zhuǎn)速控制回路、以及數(shù)字式控制邏輯電路。
數(shù)字技術(shù)給操作帶來了很大的方便，給調(diào)整帶來了高度的可重復性，控制系統(tǒng)所要求的參數(shù)能****存儲在一只EEPROM中。6SC650型變頻器屬交一直一交方式，即三相380V交流輸入，經(jīng)整流濾波后變成直流575V，再經(jīng)由大功率晶體管塊組成PWM逆變回路轉(zhuǎn)換成電壓、頻率受控的交流輸出，驅(qū)動交流主軸電機。
為了滿足矢量運算的需要，在電機內(nèi)部裝有編碼器(1024脈沖／r)作為轉(zhuǎn)子位置測量和速度反饋元件，并能滿足主軸定位準停功能所需的精度。若要求主軸作為進給軸參加插補運算。即C軸進給控制時，其電機上需裝配18000脈沖／r的光電編碼器。在電機的繞組中埋入了兩個NTC熱敏電阻，當電機過熱時，控制系統(tǒng)可發(fā)出報警信號，甚至自動關(guān)斷。
該系統(tǒng)還有過流、過壓、超速、超矩、缺相、回饋逆變失效、大功率晶體管過熱等保護功能。
主軸驅(qū)動系統(tǒng)控制電路有5個電路模塊：
a．電源板——產(chǎn)生供控制模塊的各種電壓。
b．監(jiān)控板——用于管理和監(jiān)控，可發(fā)出超速、超矩等信號。
c．控制板——板上有2片16位微處理器80186，其中一片用于矢量計算，一片用于轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制以及故障診斷等。
d．接口板——接收鍵及插頭端子上的輸入信號，輸出繼電器、模擬及顯示信號。
e．位置控制板——能實現(xiàn)主軸準停控制(不用NC控制)和C軸進給控制。
2．3交流主軸驅(qū)動的特點
a．調(diào)速范圍寬，低速性能好。主軸調(diào)速 |
