浅谈酷马变频器在车床主轴控制系统中应用

　　数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。在数控加工中，数控铣削加工为复杂，需解决的问题也多。除数控铣削加工之外的数控线切割、数控电火花成型、数控车削、数控磨削等的数控编程各有其特点，伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。

　　主轴指从发动机或电动机接受动力并将它传给其它机件的轴。 主轴亦称“光轴”，是“主光轴”的简称：在光具组中具有对称性的直径。如球镜的主轴是通过镜面中心与镜面垂直的直线。透镜或光轴光具组的主轴是各透镜面中心的连线。对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量有着重要的作用。经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机。通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩）带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使主轴箱的结构大为简化。由于变频器的高性价比，所以变频器在车床上使用非常普遍。酷马Q9000系列变频器以其独特的性能和优越的性价比，在数控机床的应用方面迅速崛起，已经成为目前市场上一支强大的生力军。

　　一、酷马Q9000系列变频器性能简介：

　　变频器的英文译名是VFD（Variable-frequency Drive），这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。（但VFD也可解释为Vacuum fluorescent display，真空荧光管，故这种译法并不常用）。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

　　Q9000系列变频器能满足数控机床对主传动系统无级变速的需求，控制方式为电流矢量控制，特别是在低速转矩上满足机床主轴的需求，0HZ时起动转矩能够达到150%以上；载波频率范围0-15kHz，噪音小；提供标准的0-10V模拟量接口，能够与大多数数控系统接口兼容，通用性强；过负载能力强，200%以上额定输出电流超过一分钟；提供多功能的输出端子信号，例如零速信号，运转中信号，计时功能，过力拒捡出，故障指示，满足系统对于主轴速度状态的监控；自动转矩补偿，满足机床主轴在低速情况下的加工需求；时时了解机床主轴实际的运行状况。

　　二、车床主轴控制系统

　　车床主轴控制系统原理：

　　选配电机为3.7KW/50Hz/380V，选用变频器型号为Q9000-C-0344，制动电阻300W/120ohm。

　　变频器FIV/0V端子给数控系统提供速度模拟量，FIV接数控系统模拟量接口正信号，0V接负信号，信号为0-10V模拟电压信号，控制主轴转速。FWD/REV/CM为变频器的正转/反转信号端子，通常由数控系统发出正转信号FWD或者反转REV来驱动中间继电器，中间继电器的常开接点接入变频器FWD/GND或者REV/GND，从而控制车床主轴的正反转。

　　控制系统参数调试：

　　在参数调整过程中，应当注意：21-01参数，选择主频率指令，设置为模拟信号0-10V输入（1）；21-02参数，运行指令选择，设置为控制回路端子（1）；51-04，输出频率选择，对应于模拟信号10V输入时变频器的输出频率，由于在0-3000rpm范围内调速，考虑机械减速比，该此参数可设置为107HZ；36-01按照电机铭牌设置载波频率；31-01和31-02为加速时间1和减速时间1，根据客户的要求，31-01=5S，31-02=5S；11-02为控制方式的选择，选择矢量控制，11-02=2。

　　特别需要注意的是，由于矢量控制需要提供电机参数（阻抗），所以根据电机的铭牌给变频器提供电机的详细参数（额定电压/额定电流/额定频率/额定转速/电机极数等），通过操作器上的运行键，变频器会自动运行。自动运行过程中，除了计算出电机参数以外，还能够检测出空载电流，这几个参数可使矢量控制表现出较高的性能，让电机发挥出的潜力， 在进行参数自学习时，务必要在空载（电机轴上不接负载）的时候进行。

　　测试与运行：

　　在恒转矩输出的频率段（0-50Hz），矢量控制的空载电流几乎只有VF控制的一半，负载时电流也比VF小一些；而且负载切削时，VF控制在初期有很明显的速度下降，而且空载速度和负载速度有比较大的差值。而相对于矢量控制，主轴转速初期虽然也会有下降，但是下降值较小，并且速度会很快回升，终空载速度和负载速度相差不是很明显。经过上面的调试，与VF控制比较，性能有了很大的改善，无论从空载电流，低速力矩，还是速度的变化，效果都是非常明显的，完够满足数控机床的需求。投入运行后，使用效果令人满意，说明酷马Q9000系列变频器在车床主轴控制系统中的应用是成功的。