1、目錄一、緒論-3（一）、課題應用背景及意義-3（二）、數控機床對主軸驅動變頻系統的要求-31、調速范圍-32、速度控制精度和加減速性能-33、精確的準停功能和角度分度控制-3（三）、現代數控機床主軸驅動變頻系統的控制策略-41、恒壓頻比控制與轉差頻率控制-42、變頻定向控制-43、直接轉矩控制-4二、數控機床主軸驅動變頻控制系統軟硬件平臺-5（一）、系統的硬件體系結構-51、功率電路部分-52、控制電路部分-6（二）、系統硬件的可靠性設計-61、完善的故障保護功能-62、輸入輸出信號處理-63、地線處理-6（三）、系統主要控制算法實現-61、電流調節器的設計-72、轉子變頻角度計算-7三、實驗

2、結果分析、總結及展望-8（一）、仿真和實驗波形及分析-81、仿真波形-82、實驗波形-8（二）、全文總結及展望-9內 容 摘 要本文開始對數控機床主軸驅動變頻控制的背景和意義以及要求進行分析，再對軟硬件的要求進行分析，最后對仿真實驗的結果進行分析，最后得出結論。本文立意明確，觀點獨到，希望可以對從事數控機床的人員給予一定的幫助。關鍵詞：數控 機床 主軸數控機床主軸驅動變頻控制一、緒論（一）、課題應用背景及意義 裝備制造業是為國民經濟發展和國防建設提供技術裝備的基礎性產業，是整個制造業的基礎，其水平決定了國民經濟發展的水平。數控技術是現代機床裝備制造業的核心，是制造自動化設備的關鍵。數控機床主要

3、由數控系統(CNC)、伺服系統、檢測系統及機床本體組成。數控系統是數控機床的核心，它根據加工工藝要求完成插補運算，發出各種控制指令。伺服系統是數控機床的驅動變頻裝置，它接受數控系統發出的各種指令，驅動變頻機床執行機構完成指定的運動。伺服系統包括主軸伺服驅動變頻系統和進給伺服驅動變頻系統。進給伺服驅動變頻系統完成數控機床各坐標軸的進給運動；主軸伺服驅動變頻系統完成主軸的旋轉運動，包括主軸的速度控制、主軸與進給驅動變頻的同步控制、準?？刂坪徒嵌确侄瓤刂疲菙悼貦C床核心關鍵部件之一，其產品質量和性能的好壞直接影響到我國數控產品和國外產品的競爭能力。目前，我國的伺服驅動變頻系統和主軸伺服驅動變頻系統在

4、產品性能、產品質量和結構工藝方面和國外名牌系統仍存在較大的差距，在用戶的心目中還未建立起足夠的信譽。在數控機床上，高性能數字數控機床主軸驅動變頻系統依然是以國外產品為主，其中也有不少采用通用變頻器的主軸驅動變頻方案，但是低速性能較差。因此，開發出高性能的主軸驅動變頻系統，建立國產數控系統的成套技術，降低成本，以提高國產數控產品的競爭能力，是一項具有重要現實意義的課題。（二）、數控機床對主軸驅動變頻系統的要求 數控機床集高效、高精度和高柔性為一體，能適應不同零件的加工，它要求驅動變頻系統具有較高的動靜態性能，能頻繁的啟動、制動、正轉、反轉及實現準停。從工件和刀具相對運動的關系來分，數控機床可大致

5、分為兩種類型。一類是使工件旋轉的車床類，另一類是使刀具作旋轉運動的鉆床和銑床類等。各種數控機床所完成的加工任務不同，對主軸和進給驅動變頻系統提出的要求也不相同，但大致都包括以下幾點基本要求:1、調速范圍 由于加工刀具、被加工材質以及對零件加上要求不同，為保證在任何的情況下，都能得到最佳切削條件，這就要求傳動系統必須具有足夠寬的調速范圍。同時在不同轉速下又有具體的要求：高速下，要求速度穩定，盡可能提供主軸電機的最大功率，即恒功率范圍要寬；低速下，要求提供大轉矩輸出，以滿足重切削的要求。2、速度控制精度和加減速性能 為保證各種機床的加工精度和表面粗糙度，以及完成攻絲等一些特殊的高級加工，一般都要求

6、傳動系統具有較高速度控制精度，并且要求加減速時間短，有良好的快速響應特性，由負載變化引起的動態降速小。動態降速大，會嚴重影響加工的精度和表面粗糙度。3、精確的準停功能和角度分度控制 在加工中心上，自動更換刀具，一個接一個地完成各種不同的加工任務。需要對主軸做高精度停止定位控制，這是一種伺服動作。在車削中心上，要求主軸具有旋轉進給軸的功能，完成任意角度分度控制，這時主軸坐標有了進給坐標的位置控制功能，稱為“C”軸控制。 目前，異步電動機數控機床主軸驅動變頻系統是當前商用主軸驅動變頻系統的主流,其功率范圍從零點幾個kW到幾百kW,廣泛地應用于各種數控機床上。異步電動機的定子結構和其它三相數控機床電

7、機的定子結構相同，在定子鐵心內放置著空間位置互差2/3的三組線圈構成的三相繞組。電機轉子結構一般為籠型，轉子繞組是由銅條或鋁條構成的狀如鼠籠的短路繞組。籠型異步電動機的結構簡單、堅固，并能在高溫和高速的條件下長時間運行，其價格遠低于同樣速度和功率范圍的直流電機，而功率和體積比卻是直流電機的兩倍，同時其起動電流不再受換向器的限制。異步電動機基速以上的恒功率運動范圍可達到1:31:5，采用繞組切換技術的電機，其恒功率運動范圍可達到1:10，甚至更寬。（三）、現代數控機床主軸驅動變頻系統的控制策略 數控機床異步電動機雖然具有多變量、強耦合、非線性的特點，但是隨著現代數控機床調速技術的發展，現代電力電

8、子器件和電機控制用數字信號處理器的不斷推陳出新，數控機床異步電動機主軸調速系統已經逐漸成為機床主軸驅動變頻系統的主流，數控機床調速系統在性能上已經可以和直流調速系統相媲美。目前，數控機床上數控機床異步電動機的調速主要有以下幾種常規控制策略：1、恒壓頻比控制與轉差頻率控制 恒壓頻比控制即通過調節驅動變頻器輸出側的電壓頻率比的方法，來改變電動機在調速過程中機械特性的控制方式。開環恒壓頻比不能對轉矩進行調節，可滿足一般平滑調速的要求，動態性能有限。轉差頻率控制采用轉子轉速閉環控制，轉速調節器的輸出是轉差角頻率，逆變器輸出的實際角頻率是由轉差信號和電機的實際轉速信號相加后得到的，它隨著電機轉子角速度同

9、步上升或下降。在分析轉差頻率控制規律時，是從異步電動機的穩態等效電路和穩態轉矩公式出發的，并不能真正控制動態過程中的轉矩特性。2、變頻定向控制 變頻定向控制的基本原理是以轉子變頻這一旋轉空間矢量為參考坐標,將定子電流分解為相互正交的兩個分量,一個與變頻同方向,代表定子電流勵變頻分量,另一個與變頻方向正交,代表定子電流轉矩分量。這樣，在旋轉坐標系上，數控機床電機可以等效為直流電機，在勵變頻電流恒定時，通過控制轉矩電流，獲得與直流電機同樣優良的靜動態性能。變頻定向控制技術又分為間接變頻定向和直接變頻定向兩種實現方式。在直接變頻定向中，變頻定向位置直接采用傳感線圈進行測量，或通過電動機輸入端的信號進

10、行估計，不適用于電機運行于低速的情況，且成本較高。而間接變頻定向控制是基于異步電動機的數學模型，通過計算轉差角頻率，進而來估算轉子和變頻的相對位置，實現比較簡單，但運行中轉子參數的變化會使變頻和轉矩偏離指令值，不能達到準確的變頻定向，從而引起額外損耗和最大轉矩降低，另一個問題是隨著電機速度要求越來越高，在恒功率變頻范圍運行時，當轉子變頻發生變化，而轉差增益無法實現動態補償，將引起變頻通和轉矩的振蕩。3、直接轉矩控制不同于變頻定向控制技術，直接轉矩控制無需將數控機床電動機與直流電動機作比較、等效、轉化，不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化數控機床電動機的數學模型。它是在定子坐標系下，

11、利用空間矢量的概念，通過易于測量的定子電壓和轉速等,直接對變頻和轉矩進行控制，省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換與計算。由于選用了定子變頻，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來，因而避開了未知且時變的轉子參數，參數魯棒性好。轉矩與定子變頻調節器借助于空間電壓矢量理論，采用Bang-Bang控制，可以獲得快速的動態響應，但同時帶來了轉矩脈動、調速范圍受限的缺點，低速時調速性能明顯下降。如果采用六邊形變頻控制方案，轉矩脈動、噪聲都比較大，但有利于減小功率器件的開關頻率，適用于大功率領域；而采用近似圓變頻的控制方案，則比較接近理想情況，電機損耗、轉矩脈動及噪聲均很小，側重于中小功率高性能調速領域。一般而言

12、,高性能的數控機床調速系統離不開速度的閉環控制。然而，速度傳感器的安裝帶來了系統成本增加、體積增大等缺點。無速度傳感器的數控機床傳動控制技術也已成為近年研究熱點。無速度傳感器控制技術解決問題的出發點是利用測量到的定子電壓、電流等信號綜合電機轉速。目前代表性的方案有:(1)動態速度估計器；(2)PI控制器法；(3)模型參考自適應方法；(4)擴展卡爾曼濾波法；(5)基于神經網絡的速度估計器；(6)轉子齒諧波法。然而，這些速度辨識方法在轉速估計精度、抗參數變化、抗噪聲干擾的魯棒性以及計算復雜程度上同實際要求還有一定的距離。二、數控機床主軸驅動變頻控制系統軟硬件平臺（一）、系統的硬件體系結構系統硬件部

13、分主要分為功率電路（包括控制電源）控制電路兩部分。動力電源輸入為三相數控機床380V(-15%10%，50/60Hz)，控制電源輸入為兩相數控機床220V(-50%20%，50/60Hz)。系統的總體硬件體系結構如圖所示：1、功率電路部分功率電路分為開關電源和主回路兩部分。(1)開關電源部分 開關電源主要負責為控制電路板提供5V和±12V控制電源，為主電路的逆變器模塊提供四路15V電源,總功率約有20W。 開關電源以Power公司的TOPS witch-系列單片開關電源芯片TOP223為核心構成。TOP223開關電源芯片具有如下顯著的特點：(a)將脈寬調制(PWM)控制系統的全部功能

14、集成到三端芯片中。內含脈寬調制器、功率開關場效應管(MOSFET)、自動偏置電路、保護電路、高壓啟動電路和環路補償電路，通過高頻變壓器使輸出端與電網完全隔離，真正實現了無工頻變壓器、隔離式開關電源的單片集成化，使用安全可靠。(b)輸入數控機床電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時可選 110V/115V/230V數控機床電，允許變化±15；在寬電壓范圍輸入時，適配85V265V數控機床電。(c)TOP223只有3個引出端，能以最簡方式構成無工頻變壓器的反激式普通型或精密型開關電源。(d)開關頻率的典型值為100kHz，允許范圍是90kHz110kHz。 裝置中以單片開關電源芯片TOP

15、223為核心構成的開關電源外圍電路簡單，效率高，各路輸出的電源紋波在100mV以內。(2)主回路部分 主回路部分采用交直交電壓型逆變器形式。主要包括三相整流橋、軟啟動電路、濾波電容、逆變器、直流母線電壓檢測以及電機兩相電流檢測電路等部分。系統用兩個變頻平衡式霍爾電流傳感器檢測電機兩相電流的瞬時值，用光電編碼器檢測電機轉子的轉速及角位移。逆變器采用三菱公司第五代智能功率模塊PM50RLA120，模塊集驅動變頻電路、功率放大、檢測與保護電路為一體，集成了七單元IGBT功率管。相比于第三代IPM“S系列”和第四代IPM“S-DASH系列”的功率模塊，第五代IPM“L系列”模塊具有以下顯著的特點:(a

16、)采用第五代新型溝槽芯片CSTBT，具有低飽和電壓，降低了模塊功耗。(b)制動單元的額定電流容量提高，PM50RLA120內部的制動管的電流容許等級為25A。(c)省卻過流保護，保留短路、過熱和驅動變頻電源欠壓保護。(d)采用新的小型封裝，模塊的尺寸和厚度都大為縮小。模塊在工作時，外部需要提供四路獨立的驅動變頻電源，下橋臂共用一路驅動變頻電源。通過光電耦合器給模塊提供基極驅動變頻信號。2、控制電路部分 為了更好的完成系統的實時控制任務，使系統具有較好的通用性和可擴展性?？刂齐娐返脑O計采用了DSP+FPGA+MCU的體系結構，DSP采用ADI公司專用于電機控制的ADMC401，主要完成實時性要求

17、較高的電機控制任務；MCU采用ATMEL公司的AT89S8253，主要完成實時性要求較低的任務，包括鍵盤處理、狀態顯示、參數設定、串行通信等；FPGA采用ACTEL公司的A42MX09，用來完成外部IO信號管理、DSP和單片機的數據交換、故障信號處理等任務。（二）、系統硬件的可靠性設計 硬件的可靠工作是系統能夠正常運行的前提，裝置中采取了多種措施，保障電路安全可靠工作。1、完善的故障保護功能 系統中設計有直流母線過(欠)壓、缺相、制動故障、IPM模塊故障、電機過熱等故障檢測電路，FPGA檢測到故障信號后，將DSP的/PDPTRIP拉為低電平，此時DSP內定時器立即停止計數，將PWM輸出管腳全部

18、置為高阻狀態，以封鎖功率管。整個過程無需程序干預，由DSP自動完成，實現了故障的及時處理。2、輸入輸出信號處理 在輸入和輸出I/O通道上采用光耦合器件來進行信息傳輸，起到良好的隔離作用，同時避免上一級干擾竄到下一級；外部模擬電壓信號輸入端并上瞬態抑制二極管，吸收浪涌信號，對電路起到良好的保護作用；在低頻模擬信號傳輸通道上加入硬件濾波電路，如RC低通道濾波器，大大削弱各類高頻干擾信號。3、地線處理 控制電路板采用四層電路板，為電源和地分別安排專用層；數字地、模擬地分開，單點連接；同層上的多個電源、地用隔離帶分割。（三）、系統主要控制算法實現1、電流調節器的設計 系統要求電流環應該在任意情況下快速

19、跟蹤電流給定。在分析時忽略電機電動勢對電流環動態過程的影響，原因是電動勢的變化與電機轉速成正比，它相對電流而言，在一個采樣周期內，可以認為是一恒定擾動，在動態過程中可以忽略。但是要注意到在高速時，隨著電機繞組反電動勢的增加，加在電機電樞繞組上的凈電壓減少，電流變化率降低，實際電流和給定電流間將出現明顯的幅值和相位的偏差，嚴重時實際電流將無法跟隨給定電流。為了提高電流環的動態跟隨性能,在系統穩定的前提下，應盡可能提高電流調節器比例放大系數，減小積分時間常數，這樣可以減小電動勢對電流環調節性能的影響。根據電壓方程得到：即電流環的作用對象是時間常數為Ts的慣性環節，電流環的結構框圖如圖所示。另外，電

20、流檢測濾波（霍爾電流傳感器響應時間小于1us）、逆變器控制的滯后，均可看成是小慣性環節，可以將其按照小慣性環節的處理方法，合成一個小慣性環節Tf(這一部分圖中未畫出)。則電流環的控制對象為兩個一階慣性環節的串聯，按照調節器的工程設計方法，電流調節器采用PI調節器，結構形式為2、轉子變頻角度計算根據轉子變頻角度的計算方程e =r +sldt，變頻定向角度的計算分為兩部分，一部分是轉子旋轉的電角度，另一部分是轉差角。程序中對角度的處理采用了較為簡潔的方式,將0360對應為數字量065536(0xFFFF)，角度計算超過65536會自然溢出，又從零開始計數，周而復始，省卻了比較部分。變頻定向角度的計

21、算流程如圖所示。轉子旋轉的電角度通過采樣周期內的脈沖增量數來計算，轉差角通過轉差角頻率的時間積分來計算。轉子旋轉的角度：r( k)=r( k-1)+r(k)，其中PUL(k)為采樣周期內的脈沖增量，Pp是電機極對數，EL為電機編碼器線數。三、實驗結果分析、總結及展望（一）、仿真和實驗波形及分析1、仿真波形從仿真波形可以看出，改進的變頻控制方法縮減了電機在變頻區間的升速時間，改善了動態響應特性。1/r方法產生較大的勵變頻電流給定，從而使電機在變頻區間高速運行時，產生較大的反電動勢。在一定的直流母線電壓下，導致電流調節所需的電壓裕量不足，從而使轉矩電流和勵變頻電流的反饋不能較好的跟蹤給定，轉矩輸出

22、產生波動，速度上升較慢。采用轉矩電流瞬態誤差補償方法后，在d、q電壓受限的條件下，動態修正勵變頻電流指令的給定，大大改善了轉矩電流和勵變頻電流的跟蹤特性，有效提升了電機在變頻區間的轉矩輸出能力。2、實驗波形實驗測試所用的電機參數：額定功率7.5KW，額定電壓350V，額定電流18.8A，額定轉矩47.8Nm，額定轉速1500r/min。(1)空載實驗改進后的方法有效改善了電壓和電流的利用效率，利用較小的電流產生了較大的動態輸出轉矩，加快了電機的升速時間，且穩速效果更好，仿真結果和實驗結果相吻合。(2)負載實驗通過變頻粉制動器負載實驗臺，測出了幾組不同轉速下電機的轉矩輸出大小，并繪出了近似的電機

23、轉矩輸出特性曲線。受負載實驗臺裝置的限制，最高轉速只測到4000r/min。從曲線可以看出，電機轉速在100r/min以上，1000r/min以下時，電機可以始終維持有90NM(1.8倍過載)的恒轉矩輸出能力，轉速在1000r/min以上，1500r/min(基速)以下時，可以有1.5倍的過載能力。轉速在1500r/min以上，3500r/min以下，電機可以滿足恒功率(7.5KW)輸出特性，3500r/min以后轉矩有較大跌落，不再滿足恒功率輸出特性。此外，為了進一步驗證系統的轉矩輸出能力和動態調節特性，在數控加工中心機床上進行了重切削實驗。驅動變頻系統具有較好連續電流輸出能力，電機能夠維持較大轉矩輸出，并且在負載快速變化時，速度的動態響應特性較好，實現了速度的快速跟蹤調節。（二）、全文總結及展望本文基于轉子變頻定向控制理論，主要研究了一種應用于數控機床的全數字交流主軸驅動變頻系統。首先介紹了異步電動機的數學模型和變頻定向理論，針對間接轉子變頻定向控制在實現中的關鍵問題，包括變頻控制算法、參數辨識、制動策略等