1 引言
EV6000 變頻器作為艾默生CT新一代高性能變頻器,,采用先進(jìn)的控制策略實(shí)現(xiàn)了真正意義上的高精度磁通矢量轉(zhuǎn)矩控制,無論是有PG 運(yùn)行還是無PG 運(yùn)行,,均達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先的控制水準(zhǔn),。同步電機(jī)驅(qū)動與異步電機(jī)驅(qū)動的一體化,轉(zhuǎn)矩控制,、速度控制,、位置控制的一體化,使得EV6000 成為業(yè)界少有的具有優(yōu)異控制性能的一體化驅(qū)動器,,滿足客戶應(yīng)用的高性能化需求,。電主軸是數(shù)控機(jī)床的重要部件,傳統(tǒng)機(jī)床主軸是通過傳動裝置帶動主軸旋轉(zhuǎn)而工作的,。電主軸是電機(jī)內(nèi)裝式主軸單元的簡稱,。其主要特點(diǎn)是將電機(jī)置于主軸內(nèi)部,通過驅(qū)動電源直接驅(qū)動主軸進(jìn)行工作,,實(shí)現(xiàn)了電機(jī),、主軸的一體化功能,進(jìn)行切削加工,。它具有結(jié)構(gòu)緊湊,,機(jī)械效率高,噪聲低,,振動小,,精度高,運(yùn)行平穩(wěn),,沒有沖擊的特點(diǎn),,能夠使主軸軸承壽命得到延長。通過EV6000機(jī)床專用版本內(nèi)置的機(jī)床專用功能,,可以完成動態(tài)高精度同步跟蹤,,分度,準(zhǔn)停,,零速鎖定等功能,。其優(yōu)異的性能,豐富的功能完全能夠滿足數(shù)控加工中心主軸控制的工藝和精度要求,。
2 伺服電主軸系統(tǒng)原理
交流伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng)由主軸控制器,、主軸驅(qū)動單元、主軸電動機(jī)和檢測主軸速度與位置的編碼器4部分組成,,主要完成閉環(huán)速度控制,,但當(dāng)主軸準(zhǔn)停時(shí)則完成閉環(huán)位置控制。主軸驅(qū)動單元的位置控制與速度控制均由內(nèi)部的高速信號處理器及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),,其原理框圖如圖1所示,。圖中CNC系統(tǒng)向主軸驅(qū)動單元發(fā)出速度指令或位置指令,驅(qū)動單元根據(jù)該指令執(zhí)行相應(yīng)的速度與位置控制,。與此同時(shí),,CNC控制器也接收來自于主軸電機(jī)編碼器的分頻輸出(或終端傳感器的輸出信號)來對其指令進(jìn)行校正,當(dāng)然,,此信號也用于系統(tǒng)過程偏差的檢測,,如速度偏差過大等。
圖1 電主軸驅(qū)動原理框圖(虛線為可選)
為方便起見,,我們以一實(shí)際的電主軸系統(tǒng)為例進(jìn)行描述,。在該系統(tǒng)中,CNC控制器采用的是臺灣LNCT520i主軸控制器,,驅(qū)動器使用EV6000高性能機(jī)床專用版本變頻器+PGABS選件卡(帶分頻輸出的編碼器接口卡),,電機(jī)使用的是山東某廠家的JSZD150A-8/3C電動馬達(dá),出場配置2048RPM差分增量式編碼器,。整個(gè)系統(tǒng)接線框圖如圖2:
圖2:電主軸系統(tǒng)接線框圖
LNCT520i主軸控制器通過PA+/PA-和PB+/PB-正交脈沖信號向EV6000發(fā)出速度和位置信號,,同時(shí)也包含著方向信號。EV6000配置有PGABS編碼器選件卡,,該卡既接收主軸控制器脈沖給定,,又接收來自電機(jī)的編碼器反饋信號,同時(shí)對編碼器信號進(jìn)行分頻,,反饋到主軸控制器,。EV6000工作在伺服模式。系統(tǒng)的性能主要決定于驅(qū)動器和電機(jī)的性能,。下面仔細(xì)介紹系統(tǒng)各個(gè)組件,。
(一)主軸電機(jī):電機(jī)型號為JSZD150A-8/3C,,內(nèi)置2048RPM, 5V差分編碼器,。廠家給定的技術(shù)參數(shù)與曲線如下:
表一:電機(jī)廠家參數(shù)
圖3 功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線
圖4 力矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線
(二)EV6000變頻器+PGABS測速卡
EV60-PGABS 測速卡是EV6000 系列變頻器的選件,,提供如下功能:1.編碼器接口PG1,,支持差分ABZ,、UVW 信號,作為速度或位置反饋,。2.PG1 的脈沖分頻輸出,,可用于速度或位置同步。3.脈沖指令接口PG2,,可接收上一級裝置的脈沖指令,,用于速度或位置同步。
其信號定義如下:
整個(gè)系統(tǒng)的接線可參考圖2,。EV6000變頻器本體只連接運(yùn)行信號和復(fù)位信號,。
3 調(diào)試步驟與要點(diǎn)
無論是速度同步跟蹤還是零速鎖定,整個(gè)系統(tǒng)邏輯都非常簡單,,只需要將在F13組功能碼里將EV6000設(shè)置為伺服模式,,位置指令給定源選擇為擴(kuò)展PG給定即可。因此調(diào)試主要工作是根據(jù)電機(jī)的特性曲線來調(diào)整變頻器相關(guān)參數(shù),,以獲得驅(qū)動系統(tǒng)的最佳性能,。為此,需要了解驅(qū)動器伺服模式的原理,。
在上述系統(tǒng)中,,電機(jī)特性是整個(gè)系統(tǒng)性能保證的基礎(chǔ)。為達(dá)到最好的控制效果,,需要對電機(jī)進(jìn)行參數(shù)辨識,。可參考表一和圖3與圖4,,在功能組F80里依次輸入電機(jī)額定功率,,額定電壓,額定電流,,額定頻率,,額定轉(zhuǎn)速之后啟動電機(jī)旋轉(zhuǎn)自整定。因?yàn)橹鬏S電機(jī)基本都是特種電機(jī),,有時(shí)會發(fā)生自整定失敗,,此事需要對額定電壓,額定頻率和額定轉(zhuǎn)速三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,,直至整定通過,。整定通過之后,不妨在全速范圍內(nèi)讓電機(jī)空載運(yùn)行,,確保系統(tǒng)無振動,,電機(jī)電流聲音正常。
圖5:EV6000伺服模式的原理框圖
從圖5中,,系統(tǒng)還有三個(gè)控制環(huán)路,。最里面的是電流環(huán),,其次是速度環(huán),最外是位置環(huán),。電機(jī)自整定通過后,,主要的調(diào)試就是調(diào)整這三個(gè)參數(shù)的PI參數(shù)。首先是電流環(huán),,該參數(shù)一般采用變頻器默認(rèn)參數(shù),在現(xiàn)場無檢測儀器的情況下,,調(diào)整的依據(jù)可簡化如下:全速運(yùn)行,,觀察電機(jī)有無振動或嘯叫,如有,,則需調(diào)整,,此種情況一般表明參數(shù)過強(qiáng)。進(jìn)行零速鎖定運(yùn)行,,觀察鎖定動作是否干凈利索,,鎖定是否有力,可以逐步增加電流環(huán)PI直至感覺電機(jī)軸明顯振動,,此時(shí)適當(dāng)回調(diào)PI至一合適值,,順便也可以觀察輸出電流是否穩(wěn)定。電流環(huán)參數(shù)位于F09組,。接下來調(diào)整速度環(huán),,調(diào)整原理不進(jìn)行論述,可以觀察[F01.13]電機(jī)實(shí)測頻率是否穩(wěn)定,,響應(yīng)是否足夠快,。同時(shí)零速鎖定時(shí)鎖定力是否足夠大,不夠大則需調(diào)強(qiáng)PI,。如下圖所示,,為系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖。
圖6:系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖
最后是調(diào)整位置環(huán),。位置環(huán)主要調(diào)整動態(tài)位置偏差,,一般的數(shù)控中心都有位置超差告警。在出場參數(shù)的基礎(chǔ)上,,一般需要強(qiáng)化位置環(huán)P參數(shù),。圖7是在一個(gè)正反轉(zhuǎn)過程中位置差的實(shí)際檢測結(jié)果??梢钥闯稣麄€(gè)過程動態(tài)誤差不到25個(gè)脈沖(4倍頻后),。
圖7 位置超差結(jié)果
此外,影響性能可能需要調(diào)整的參數(shù)還包括[F09.01]載波頻率,,[F63.08]PG信號濾波等,。在這里我們給出上述應(yīng)用的參數(shù)設(shè)置,。
4. 結(jié)束語
EV6000作為艾默生CT新一代平臺型變頻器產(chǎn)品,具備優(yōu)異的控制性能,。我們會將客戶的實(shí)際需求和通用型產(chǎn)品結(jié)合起來,,推出針對行業(yè)性的客戶專機(jī),也會和大客戶緊密結(jié)合,,推出一些定制產(chǎn)品,,目前都已取得一定
成效。就電主軸而言,,變頻器內(nèi)置了專用的F13(伺服控制),、F33(主軸準(zhǔn)停)、F34(剛性攻絲)功能組,,只需要進(jìn)行簡單的功能碼設(shè)置,,就可以進(jìn)行高精度的速度跟蹤,零速鎖定,,分度等功能,,方便了用戶的使用,同時(shí)還可以進(jìn)行一些簡單的位置控制,,動態(tài)位置精度可以控制的很好,,可控制在4個(gè)脈沖之內(nèi),穩(wěn)態(tài)位置精度可控制在一個(gè)脈沖之內(nèi),。