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数控机床主轴驱动变频控制一、前言数控机床是传统机床向智能化方向发展的结果，其操作简单、精度高、效率高等特点，使得其在现代制造业中大有用处。
数控机床中的主轴驱动控制是其中的一个重要环节，其精度和可靠性对整个机床的操作效果有着至关重要的作用。
本篇文档将主要介绍数控机床主轴驱动变频控制相关知识。
二、数控机床主轴驱动变频控制的原理数控机床的主轴驱动控制系统主要是由相关电气元件组成的变频器控制系统。
变频器就是将市电通过整流、滤波、逆变后输出一定的频率、电压并控制电机转速的电子装置。
在数控机床的主轴驱动系统中，变频器通过对电机控制进行电压和频率的调整，来实现主轴的旋转，进而控制其转速和输出功率。
变频器输出的频率、电压均可调整，因此可以通过控制变频器的输出，来实现对主轴的速度调节。
电气控制系统通过实时监测机床运行状态、主轴运行状态、机床速度、主轴转速等信息，根据预先设定的运转条件，通过控制变频器输出的电压、频率实现对机床的工作状态并实现对主轴的速度调节。
三、数控机床主轴驱动变频控制的优点与传统机床的主轴驱动方式相比，数控机床主轴驱动变频控制有诸多优点，主要体现在以下几个方面：1.可调性强：通过对变频器的控制，可以实现精确的主轴转速调节，可以满足不同需求的工件加工。
2.精度高：由于采用了电气控制系统，可以实现主轴转速的精确控制，进而实现加工精度的提高。
3.效率高：数控机床主轴驱动变频控制由于能够实现电气控制，减少了机械传动过程中的机械损耗，因此其效率远高于传统机床主轴驱动方式。
4.运转平稳：变频器可以调节输出电压和频率，可以进一步实现对主轴转速的控制，从而实现机床运转的平稳。
四、数控机床主轴驱动变频控制的应用数控机床主轴驱动变频控制技术的应用相当广泛，可以应用于各种数控机床类型，包括数控车床、数控加工中心、数控铣床等。
特别是在高速、高精度、高效率的加工应用中，其优势更加明显。
五、数控机床主轴驱动变频控制的维护和保养为了确保数控机床主轴驱动变频控制系统的长期稳定运行，必须进行日常的维护和保养。
通用变频器在数控机床主轴控制的应用作者：金光云来源：《中国新技术新产品》2013年第09期摘要：论文中介绍了通用变频器的技术特点，并以一台三坐标数控机床为例，介绍了在数控机床主轴控制时使用通用的变频技术进行驱动，所采用的具体电路设计、PLC程序及各类相关数据的匹配关系。
关键词：主轴控制；通用变频器；PLC程序中图分类号：TG65 文献标识码：A1 控制原理任何一台数控机床的主轴控制，都是机床控制的重要组成部分，使用变频器控制的机床其基本工作原理并没有改变，只是减少了数控系统对主轴工作性能的调整，更具体的细微处的主轴运转精度由变频器自身来完成，变频器更具备相对的独立性和通用性。
在以变频器为主的主轴控制系统中，需要由控制系统输出的启动与停止信号、转速信号、报警信号等，再根据变频器内部的参数设定控制主轴的旋转。
2 性能对比随着生产技术的日益发展，对机械加工设备的要求也越来越高。
有些数控机床的控制形式已限制了机床的加工性能，V2-2000B机床是一台三坐标龙门数控铣床，由法国FOREST公司生产，其主轴采用变频机组形式进行控制，只提供了1000～6000RPM中的五个固定档位的主轴转速，限制了加工时对主轴转速的选择范围。
这种主轴的控制方式，决定了主轴的启动与停止硬性较大，对机床的硬件有很大的损伤，使一些元件使用寿命变短，导致机床故障频繁发生。
这种数控机床主轴控制形式已明显落后，因此，采用变频技术控制主轴进行生产加工，可以满足现在的加工需求，并能解决旧式控制方式的缺点。
3 工作内容3.1 选择主轴变频模块数控机床的主轴运转规律是：额定转速以下为恒转矩运行，额定转速以上为恒功率运行。
因此配备的变频器规格应遵循公式：In≥K·ImIn为变频器额定电流，Im为电机额定电流，K为电流系数一般为1.05～1.15。
另外根据变频器选型的理论计算，再考虑到其过载能力，一般的恒转矩负载应用时按电机功率放大一倍。
故障诊断是进行数控车床、加工中心机床维修的第一步,它不仅可以迅速查明故障原因,排除故障,也可以起到预防故障发生与扩大的作用。
加强理论学习,适当了解数控系统硬件的相关连接及工作原理,了解PLC与外部器件的联系,并注重系统保养,对于准确维修数控车床、加工中心机床故障,降低机床故障率具有重要意义。
当数控车床主轴驱动出现故障的时候，系统会出现"变频器报警"的提示，但这个报警涉及的因素比较复杂，要进一步的寻找原因，还要打开电箱，看伺服驱动器上显示的具体报警内容。
1、通用变频器常用报警及保护为了摆正驱动器的安全，可靠的运行，在主轴伺服系统出现故障和异常情况时，设置了较多的保护功能，这些保护功能与主轴驱动器的故障检测与维修密切相关。
当驱动器出现故障时，可以根据保护功能的情况，分析故障原因。
（1）接地保护。
在伺服驱动器的输出线路以及主轴内部等出现对地短路时，可以通过快速熔断器切断电源，对驱动器进行保护。
（2）过载保护。
当驱动器、负载超过额定值时，安装在内部的热开关货主回路的热继电器将动作，对过载进行保护。
（3）速度偏差过大报警。
当主轴的速度由于某种原因，偏离了指定速度且达到一定的误差后，将产生报警，并进行保护。
（4）瞬时过电流报警。
当驱动器中由于内部短路、输出短路等原因产生异常的大电流时，驱动器将发出报警并进行保护。
（5）速度检测回路断线或短路报警。
当测速发电机出现信号断线或短路时，驱动器将产生报警并进行保护。
（6）速度超过报警。
当检测出的主轴转速超过额定值的115%，驱动器将产生报警并进行保护。
（7）励磁监控。
如果主轴励磁电流过低或无励磁电流，为防止飞车，驱动器将产生报警并进行保护。
（8）短路保护。
档主回路发生短路时，驱动器可以通过相应的快速熔断器进行保护。
（9）相序报警。
当三相输入电压源相序不正确或缺相状态时，驱动器将产生报警。
驱动出现保护性的故障时（也称报警），首先通过驱动器自身的指示灯以报警的形式反映出内容，具体说明见表6-14。
SPW变频器FR-A540在数控机床上的应用SPWM变频器/FR-A540/数控机床1 引言随着交流调速技术的发展，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴配变频器控制的方式。
变频器可分为交一交变频和交一直一交变频两种。
交一交变频，利用可控硅整流器直接将工频电变成频率较低的脉动交流电，这个脉动交流电的基波就是所需的变频电压。
交一直一交变频方式是先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，这个矩形脉冲波的基波就是所需的变频电压。
这种调频方式，所得交流电的波动小，调频范围宽，调节线性度好。
目前，数控机床都常采用SPWI交—直一交变频器。
2 SPWME频器结构原理spwh a频器是目前应用最广、最基本的一种交一直一交变频器，也称为正弦波pwr变频器，具有输入功率因数高和输岀波形好等优点。
SPW哌频器的基本组成SPWM^频器主要由整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路组成，如图1所示。
整流器主要是将电网整流成直流；逆变器是通过三相桥式逆变电路将直流转换成任意频率的三相交流；中间环节由称为储能环节，来缓冲运行中的无功功率；控制电路主要是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。
控剧唱路图1 SPWM变频器的基本组成三相电压型SPW M频器的主回路三相电压型SPW变频器的主回路如图2所示。
该回路由两部分组成，左侧的桥式整流电路和右侧的逆变器电路，逆变器是核心。
桥式整流电路的作用是将三相工频交流电变成直流电；逆变器则是将整流电路输岀的直流电压变成三相交流电，控制电机的运行。
整流之后，并联一个大容量的电容G,来实现直流输岀电压具有电压源特性，内阻很小，使逆变器的交流输岀电压被箝为矩形波，与负载性质无关。
直流回路电感L d起限流作用，电感量很小。
图2 三相电压型SPWI变频器的主回路SPWM原理SPWM波就是把正弦波分成2N等分，然后把每一等份的正弦曲线与横坐标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，这样就得到2N个等高而不等宽的脉冲。
摘要本文介绍了采用数控车床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并简述了无速度传感器的矢量变频器的基本应用。
关键词：矢量控制变频器数控车床目录摘要 (3)第1章变频器矢量控制阐述 (3)第2章数控车床主轴变频的系统结构与运行模式 (3)2.1 主轴变频控制的基本原理 (3)2.2 主轴变频控制的系统构成 (4)第3章无速度传感器的矢量控制变频器 (4)3.1 主轴变频器的基本选型 (4)3.2 无速度传感器的矢量变频器 (5)3.3 矢量控制中的电机参数辨识 (5)3.4 数控车床主轴变频矢量控制的功能设置 (6)第4章结束语 (6)致谢 (7)参考文献 (8)数控车床的主轴驱动变频控制系统第1章变频器矢量控制阐述70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。
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。
具体是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) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 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。
这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。
矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。
采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。
由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。
论文关键词：矢量控制变频器数控车床
论文摘要：本人于2007年4月份进入广东省广州昊达机电有限公司进行毕业前的综合实践，从事有关变频器的工作。
本文介绍了采用数控车床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并简述了无速度传感器的矢量变频器的基本应用。
前言
数控车床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及其拖动、自动控制、检测等技术为一身的自动化设备。
其中主轴运动是数控车床的一个重要内容，以完成切削任务，其动力约占整台车床的动力的70%～80%。
基本控制是主轴的正、反转和停止，可自动换档和无级调速。
在目前数控车床中，主轴控制装置通常是采用交流变频器来控制交流主轴电动机。
为满足数控车床对主轴驱动的要求，必须有以下性能:(1)宽调速范围，且速度稳定性能要高;(2)在断续负载下，电机的转速波动要小;(3)加减速时间短;(4)过载能力强;(5)噪声低、震动小、寿命长。
本文介绍了采用数控车床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式，并阐述了无速度传感器的矢量变频器的基本应用。
第1章变频器矢量控制阐述70年代西门子工程师f.blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。
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。
具体是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) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 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。
这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。
矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，ab，ge，fuji 等国际化大公司变频器上。
采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。
由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。
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效的矢量控制。
第2章数控车床主轴变频的系统结构与运行模式 2.1 主轴变频控制的基本原理由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为:
n=(60f/p)×(1-s)
其中p—电动机的极对数，s—转差率，f—供电电源的频率，n—电动机的转速。
从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0～400hz(甚至更高频率)之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。
当然，转速提高后，还应考虑到对其轴承及绕组的影响，防止电机过分磨损及过热，一般可以通过设定最高频率来进行限定。
图2-1 变频器在数控床上的应用
图2-1所示为变频器在数控车床的应用，其中变频器与数控装置的联系通常包括:(1)数控装置到变频器的正反转信号;(2)数控装置到变频器的速度或频率信号;(3)变频器到数控装置的
故障等状态信号。
因此所有关于对变频器的操作和反馈均可在数控面板进行编程和显示。
2.2 主轴变频控制的系统构成
不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀，而使用变频器后，机床可按指令信号进刀，这样一来就提高了效率。
如果被加工件如图2-2所示所示形状，则由图2-2中看出，对应于工件的ab段，主轴速度维持在1000rpm，对应于bc段，电机拖动主轴成恒线速度移动，但转速却是联系变化的，从而实现高精度切削。
图2-2 主轴变频器系统构成示意
在本系统中，速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定通道(电压或电流)，通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置，数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。
该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置，以满足数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。
第3章无速度传感器的矢量控制变频器 3.1 主轴变频器的基本选型
目前较为简单的一类变频器是v/f控制(简称标量控制)，它就是一种电压发生模式装置，对调频过程中的电压进行给定变化模式调节，常见的有线性v/f控制(用于恒转矩)和平方v/f 控制(用于风机水泵变转矩)。
标量控制的弱点在于低频转矩不够(需要转矩提升)、速度稳定性不好(调速范围1:10)，因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰，而矢量控制的变频器正逐步进行推广。
所谓矢量控制，最通俗的讲，为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能，通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位，用以维持电机内部的磁通为设定值，产生所需要的转矩。
矢量控制相对于标量控制而言，其优点有:(1)控制特性非常优良，可以直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美;(2)能适应要求高速响应的场合;(3)调速范围大(1:100);(4)可进行转矩控制。
当然相对于标量控制而言，矢量控制的结构复杂、计算烦琐，而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。
矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，区别在于后者具有更高的速度控制精度(万分之五)，而前者为千分之五，但是在数控车床中无速度传感器的矢量变频器的控制性能已经符合控制要求，所以这里推荐并介绍无速度传感器的矢量变频器。
