1、主轴系统的控制原理,主轴系统的控制原理要点,1.数控机床主轴控制系统的要求,2.变频调速控制主轴的工作原理,3.矢量控制和直接转矩控制,4.主轴控制系统的接口和选型,5. 数控机床的主轴系统,1.现代数控机床对主轴控制的要求 1）.调速范围要宽 主轴在较宽范围在数控系统的指令下实现调速。 主轴的调速分为：有级调速、无级调速、分段无级调速。 变频器调速主要用于普及型，高档数控机床主要用交流伺服型主轴。 2）.恒功率范围要宽； 3）.具有四象限驱动的能力； 4）.具有位置控制能力。,一、数控机床主轴控制系统的要求,2.1三相笼型感应电动机的启动 直接启动启动方式 降压启动1.直接启动 特点：简单、
2、方便、可靠性高。 对象：小功率电动机。2.星-三角降压启动 特点：1)启动电流为全压启动电流的1/3； 2)适用于三角型运行、空载或轻载启动。3.其它降压启动方式 1)定子绕组串电阻电(频敏电阻)降压启动； 2)定子绕组串电抗器； 3)自耦变压器降压启动。,一、数控机床主轴控制系统的要求,2. 普通主轴的控制,3.三相笼型感应电动机的制动,3.1.反接制动 特点： 1)制动力矩大； 2)冲击电流和机械冲击力大； 3)工作时应与速度继电器配合使用。 3.2.能耗(直流)制动 特点： 1)制动力平稳、无冲击； 2)能耗低； 3)需要外加直流电源。 4)适用于频繁启、停的电动机制动。 3.3.双流制
3、动 制动时KM1断、KM2闭合，此时脉动电流可分解为直流分量和交流谐波分量，其直流分量产生能耗制动，交流分量产生反接制动。 特点：制动力大、迅速、准确。,一、数控机床主轴控制系统的要求,4.普通主轴的调速,4.1三相感应型电动机的调速方法 1).改变转差率s 2).改变定子磁极对数P 3).变频调速4.2注意事项 1).正反转控制应有互锁； 2).主电路应设有隔离开关； 3).反接制动应设有速度继电器。,一、数控机床主轴控制系统的要求,1.数控机床变频调速主轴和伺服主轴的工作原理,1.1组成与分类 主轴驱动系统由驱动器和主轴电动机组成。 主轴驱动系统分有直流和交流两大类 (直流驱动系统现在已很
4、少使用) 交流主轴驱动系统由交流电动机和变频器或主轴伺服驱动装置组成。,二、变频调速控制主轴的工作原理,1.2主轴驱动系统应具有以下功能 1）.输出功率大； 2）.在整个调速范围内速度稳定，且恒功率范围宽； 3）.在断续负载下电动机转速波动小，过载能力强； 4）.加、减速时间短； 5）.电动机温升低； 6）.振动小、噪声低； 7）.电动机可靠性高、寿命长、易维护； 8）.体积小、重量轻。,1.3系统工作原理 1.感应式主轴电动机 特点 ：由变频器实施控制，可实现开环或闭环控制。 2.永磁式伺服电动机 特点：由变频逆变器实现速度环的矢量控制，动态响应好，但其输出恒功率范围小。 为获得更好的主轴特
5、性，采用矢量控制技术的同时，现有数控机床专用感应式电动机。,二、变频调速控制主轴的工作原理,1.4感应电动机开环调频调速及其特性 感应式电动机的转速为 n=(1s)n1=60f1(1-s)/p 感应式电动机的转速与电源频率成正比。每相感应电动势 E14.44f1N1m 即 m U1/f1,二、变频调速控制主轴的工作原理,1.5正弦波脉宽调制(SPWM)变频器 1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。 SPWM变频器属于交一直一交变频器，其原理框图见图4.23b)。基本工作过程是先将50Hz交流电经整流变压器变
6、压得到所需电压，经二极管整流和电容滤波，形成恒定直流电压，然后送入由大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相电压和频率均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波)，即可拖动三相电机运转。这种变频器结构简单，电网功率因数接近于1，系统动态响应快，输出波形好，因此，在数控机床的交流驱动中广泛使用。,二、变频调速控制主轴的工作原理,1.6 SPWM逆变器的工作原理如下： 1）.SPWM波形与等效正弦波 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。电动机就是一个惯性的环节，该结论是SPWM控制的重要理论基础。 SPWM逆变器输出
7、的是正弦脉宽调制波。其工作原理是若把一个正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标轴所包围的面积，都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。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。如果对正弦波的负半周也做同样处理，即可得到相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波，如下图所示。,二、变频调速控制主轴的工作原理,a)正弦波的正半波 b)等效的SPWM波形与正弦波等效的SPWM波形,二、变频调速控制主轴的工作原理,1.7 产生SPWM波形的原理 SPWM波形可用计算机产生，即对给定的正弦波用计算机算出相应脉冲的宽度
8、，通过控制电路输出相应波形，还可用专门集成电路产生，如产生三相SPWM波形的专用集成电路芯片有HEF4752、SLE4520等；也可用模拟电路产生，其方法是以正弦波为调制波，对等腰三角波为载波的信号进行“调制”，原理如下图所示。,二、变频调速控制主轴的工作原理,采用模拟电路产生SPWM方法，就是用一个正弦波发生器产生可以调频调幅的正弦波信号(调制波)，用三角波发生器生成幅值恒定的三角波信号(载波)，将它们在电压比较器中进行比较，输出SPWM调制电压脉冲，图所示是调制SPWM脉冲的原理图。,SPWM调制脉冲原理图,二、变频调速控制主轴的工作原理,分析：三角波电压和正弦波电压分别接在电压比较器的“
9、-”、“+输入端。当“uusin时，电压比较器输出高电平；反之则输出低电平。SPWM脉冲宽度由三角波和正弦波交点之间的距离决定，两者的交点随正弦波电压的大小而改变。因此，在电压比较器输出端就输出幅值相等而脉冲宽度不等的SPWM电压信号。下图所示为SPWM调制波示意图。,二、变频调速控制主轴的工作原理,SPWM调制波示意图,1.8 SPWM变频器的主电路 电路原理及输出线电压的波形如图4.28所示。图4.28a)中VlV6为六只大功率晶体管，当然，也可以采用其它的功率器件。大功率晶体管各有一个与之反并联的续流二极管。来自控制电路的SPWM波形作为大功率晶体管基极控制电压，加在各功率管的基极上。在
10、电路图中，按相序要求和频率要求协调控制的三路正弦波信号，与等腰三角波发生器来的载波信号一同送入电压比较器，产生三路SPWM波形，经反相电路后，可得到六路SPWM信号，加在VlV6六只功率晶体管的基极，作为驱动控制信号。当逆变器工作于双极性工作方式时，可得到如图4.28b)所示的线电压波形。,二、变频调速控制主轴的工作原理,1.感应电动机的矢量控制,1.1交、直流电动机的比较 直流电动机 ：励磁磁场(定子)和电枢(转子)电流相对独立，电磁转矩MIa. 主磁场与电枢磁场在空间上相互垂直。 调节主磁场(励磁电流)或电枢磁场(电枢电流)调速。 交流电动机：励磁电流与转子电流相互关联。 励磁电流的磁场与
11、转子电流磁场互成一定夹角(功率因数角)。 不能通过调整励磁电流的方法实现调速。,三、矢量控制和直接转矩控制,2.矢量控制 矢量控制的基本思想是借用直流电动机的控制方法模拟对交流电动机的控制，使之调速性能达到或接近直流电动机的特性。 矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。 将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) If和产生转矩的电枢电流分量 (转矩电流)Ia 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控
12、制方式。 矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。,三、矢量控制和直接转矩控制,基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f 恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。 特点：可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。 早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。,三、矢量控制和直接转矩控制,3.基于转差频率控制的矢量控制方式,4.无速度传感
13、器的矢量控制方式 无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。 特点：无传感器，控制精度较高 目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有
14、效的矢量控制。,三、矢量控制和直接转矩控制,5.直接转矩控制,直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（BandBand控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。 它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省
15、掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦,而简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。,三、矢量控制和直接转矩控制,直接转矩控制与矢量控制方式比较 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。直接转矩控制强调的是转矩的
16、直接控制与效果。与矢量控制方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，对转矩的直接控制或直接控制转矩，既直接又简化。,三、矢量控制和直接转矩控制,6.主轴驱动装置的特性,6.1交流主轴驱动装置的特性 感应电动机与变频装置配合，其工作特性图5.11所示。 在其基本转速下，为恒转矩输出，在其基本转速以上，为恒功率负载。,三、矢量控制和直接转矩控制,6.2 交流伺服主轴装置的特性 交流伺服主轴装置除具有交流主轴装置的基本特性外还应具有以下特性 1.足够大的转矩过载能力； 2.具有高分辨率的位置、速度、电流检测能力； 3.采用更快的生微处理器，采样周期更快； 4.主
17、轴电动机的转矩响应关至5ms以内； 5.具有四象限运行能力，具有足够的制动能力。 驱动电动机若使用感应式电动机，要求其控制方式具有位置、速度反馈的矢量控制或直接转矩控制。 驱动电动机若使用交流伺服电动机，可采用永磁式同步电动机，应具有磁场可弱磁的矢量控制。,三、矢量控制和直接转矩控制,1.主轴驱动装置的接口和选型,1.1主轴驱动装置的接口 主轴驱动装置的接口与进给驱动装置的接口相似，主要区别在于主轴电动机的功率较大，控制方式也有差异。(进给装置主要工作在位置控制模式，主轴装置主要工作在速度控制模式)。 图5.12是基本主轴变频驱动装置的接口图。 图5.14是带有反馈的主轴变频驱动装置接口。,四
18、、主轴控制系统的接口和选型,四、主轴控制系统的接口和选型,四、主轴控制系统的接口和选型,主轴驱动装置接口（与进给驱动装置比较）的主要特点 1.2.输入电源 一般采用三相交流，电源电压允许波动范围较宽(230-400V)。 1.3.电动机运行指令接口 指令接口形式 1)模拟电压指令接口 0-10V模拟电压指令作为速度控制，开关量作为旋转方向控制。 2)模拟电压(或模拟电流)指令接口 10V-10V(20m A-20m A)电压(电流)控制指令， 其幅值为转速控制，相位(极性)为方向控制。 3)带反馈的主轴驱动支持多位开关量指令的接口 可实现分级无级调速。 级数为2 n 1级，如3位开关量编码器，
19、可分为7级， 说明：其具体速度值由参数在规定的范围内设定。 主轴驱动还具有脉冲指令、总线、通讯等接口。,四、主轴控制系统的接口和选型,1.4驱动装置及电动机运行状态控制 一般提供专用的开关量方向控制接口和单 一极性模拟电压信号接口。 对于伺服单元，还具有控制模式转换接口。 1.5反馈接口 具有编码器反馈量接口。,四、主轴控制系统的接口和选型,2. 主要驱动装置的选型,选型原则：遵循对经济实用、稳定可靠、易于操作。 依据：整机对主轴系统的要求和不同类型的主轴的特点。 不同类型的主轴系统的特点和适用范围 2.1普通笼型电动机配齿轮变速箱 特点： 1)经济、低速输出转矩大； 2)只能实现有级调速，工
20、作噪声大。 2.2普通笼型电动机配简易型变频器 特点： 1）可实现无级调速，但低频特性较差； 2）适用于低、高速要求不高的场合。 2.3普通笼型电动机配通用变频器 特点： 1）具有U/f调节和矢量控制功能，对低速特性有所改善。 2）与前相同，受电动机的最高速度的限制，转速不高。 3）适用于经济型数控机床。,四、主轴控制系统的接口和选型,2.4专用变频器配合通用变频器特点： 1）采用矢量控制技术，在低速时有恒转矩输出； 2）可具有定向和分度进给功能； 3）可实现高速工作； 4）可用于车、镗、铣削加工。2.5伺服主轴驱动系统特点：1）响应快，速度高，过载能力强；2）可具有定向和分度进给功能；3）可
21、用于加工中心。2.6电主轴特点： 1）主轴内置电动机，控制精度高； 2）主轴转速高； 3）抗冲击力较差，功率不大； 4）用于高速和高精度加工。,四、主轴控制系统的接口和选型,3.功率选择方法：1）选择额定转速低主轴电动机或额定功率高一档的电动机；2）采用特种的绕组切换式的电动机。 注意：考虑改善低速时的工作特性。 4.转动惯量的匹配和本单位使用习惯,四、主轴控制系统的接口和选型,1.主轴传动系统及主轴换档 1.1 主轴传动系统的要求 1）具有较大的调速范围并实现无级调速； 2）具有较高的精度与刚度、传动平稳，噪音低 3）良好的抗热振性和热稳定性。 4）具有自动换刀、主轴定向功能。 5）具有与进
22、给同步控制的功能（螺纹加工）。,五、数控机床的主轴系统,2.主轴的传动方式 1）二级以上的变速传动系统（分段调速） 2）一级变速的传动系统 3）高速切削主轴3.主轴换档 1）手动换档 2）液压拨叉换档 3）电磁离合器换档,五、数控机床的主轴系统,4.主轴定向功能 4.1概述 主轴定向（又称为主轴准停）控制的作用 当主轴停止时能控制其停在固定位置。 作用：1）刀具交换 2）镗床退刀 主轴定向控制的实现定向控制方式分有机械和电气控制两类,五、数控机床的主轴系统,5. V形槽定位盘准停装置 工作原理：当准停装置收到停止信号时，主轴电动机减速（小于100转/分），无触点开关发出指令，活塞伸出，当活塞插
23、入定位盘上的V形槽时，无触点开关发出指令主轴停转并锁紧。,五、数控机床的主轴系统,6. 定向控制装置6. 1电气定向控制装置 电气定向控制装置是以装在主轴上的磁性传感器或编码器的作为检测元件，能过其输出的信号，使主轴正确停在规定的位置上。此方式广泛用于中、高档数控机床上。 6.2磁性传感器定向装置 工作原理：当主轴转动或停止时，收互CNC的定向指令后，主轴加速或减速到某定向速度时，检测元件检测到定位信号（主轴上的基准孔与磁性传感器上的基准孔对准），主轴停止并锁紧。 6.3编码器定向装置 主轴转速控制基础上增加位置控制环。 工作原理：当主轴转动或停止时，收互CNC的定向指令后，主轴加速或减速到某定向速度时，编码器发出参考位置脉冲，当转过相应角度后停止并锁紧主轴。,五、数控机床的主轴系统,6.4电气定制方式的比较 编码器定向装置定向位置可在主轴驱动装置内任意的设定；而磁性传感器定向的准确位置不可随意的改变。6.5电气主轴定向控制的特点： 1）不需机械部件； 2）定向时间短； 3）定向采用电子部件，可靠性高；,五、数控机床的主轴系统,Thank You !,
