典型主轴伺服系统

4.6.2　典型主轴伺服系统

1．普通主轴的控制

（1）直流主轴的控制

早期的数控机床多采用直流主轴驱动系统，为使主轴电动机能输出较大的功率，所以，一般采用他激式的直流电动机。为缩小体积，改善冷却效果，以免电动机过热，常采用轴向强迫风冷或热管冷却技术。

直流主轴电动机的性能主要表现在转矩-速度特性上，在基本转速以下属于恒转矩调速范围，用改变电枢电压来调速；在基本转速以上属于恒功率调速范围，采用控制激磁的调速方法调速。一般来说，恒转矩调速范围与恒功率调速范围之比为1:2。另外，要求有良好的加、减速及换向功能、过载能力、较大的调速范围等功能。

直流主轴速度控制单元的框图如图4-32所示。直流主轴速度控制单元也是由速度环和电流环构成的双环速度控制系统，用控制主轴电机的电枢电压来进行恒转矩调速。控制系统的主电路采用反并联可逆整流电路，因为主轴电机的容量较大，所以，主回路的功率开关元件大都采用晶闸管元件，主轴直流电机调速还包括恒功率调速，它是框图上半部分的激磁控制回路完成。

主轴电机为他激式直流电机，激磁绕组与电枢绕组无直接关系，需由另一直流电源供电。激磁回路由激磁电流设定电路、电枢电压反馈电路、及激磁反馈电路三者的比较输出信号，经电流调节、触发脉冲发生器等，控制激磁电流的大小，完成恒功率调速。

调磁部分的电压反馈的作用：他激直流主轴电机、调压、调磁是分开独立工作的。在额定转速以下用改变电调电枢端电压调速，此时调磁不工作只是维持额定的磁场，用电压反馈作信号，限制激磁电流反馈。 当电枢端电压达到额定值时，可以调磁，使电机转速在高速段调整。

一般来说，采用主轴速度控制单元之后，只需要二级机械变速，即可满足一般数控机床变速要求。

图4-32　直流主轴速度控制单元的框图

（2）交流主轴的控制

交流伺服电动机有永磁式同步电动机和笼型异步电动机两种结构形式，而且绝大多数采用永磁式同步电动机的结构形式。而交流主轴电动机的情况则不同，交流主轴电动机均采用异步电动机的结构形式，这是因为，一方面受永磁体的限制，当电动机容量做得很大时，电动机成本会很高，对数控机床来讲无法接受；另一方面，数控机床的主轴传动系统不必像进给伺服系统那样要求如此高的性能，采用成本低的异步电动机进行矢量闭环控制，完全可满足数控机床主轴的要求。但对交流主轴电动机性能要求又与普通异步电动机不同，要求交流主轴电动机的输出特性曲线（输出功率与转速关系）是在基本速度以下时为恒转矩区域，而在基本速度以上时为恒功率区域。

三相笼型感应电动机具有结构简单、价格便宜、坚固耐用、维修方便等优点。因此三相笼型感应电动机+齿轮变速箱的主轴变速系统方案广泛应用于传统的机床，在旧机床的数控化改造和一些简易型数控机床上也有较多的采用，这种主轴变速系统方案简称普通主轴，三相笼型感应电动机也简称为普通主轴电动机。普通主轴的控制通过对三相笼型感应电动机的控制实现，包括启动、换向、停止制动和调速等。

由三相感应电动机的转速n=60f₁（1－s）/p可知，感应电动机的调速方法有：变极对数p、变转差率s、变频率f₁三种调速。对于普通主轴，电动机的转速通常无法改变，只能通过改变齿轮变速箱的传动比来改变主轴的转速；也可以采用双速电机或多速电机，通过改变电机的极对数改变电动机的转速，从而改变主轴的转速。

虽然，可以采用普通感应电动机作为数控机床的主轴电动机，但为了得到好的主轴特性而采用变频矢量控制时，交流主轴电动机一般是专门设计的，具有自己的特点。

如图4-33所示为交流主轴控制单元的框图。它们的工作过程简述如下：由数控系统传来的速度指令（如10V时相当于6 000 r/min或4 500 r/min）在比较器中与检测器的信号相遇之后，经比例积分回路3将速度误差信号放大作为转矩指令电压输出，再经绝对值回路4使转矩指令电压永远为正。然后经函数发生器6（它的作用是当电动机低速时提高转矩指令电压），送到V/F变换器7，变成误差脉冲（如10V相当于200kHz）。该误差脉冲送到微处理器8并与四倍回路17送来的速度反馈脉冲进行运算。在此同时，交给预先写在微处理器部件ROM中的信息读出，分别送出振幅和相位信号，送到DA强励磁9和DA振幅器10。DA强励磁回路用于控制增加定子电流的振幅，而DA振幅器用于产生与转矩指令相对应的电动机定子电流的振幅。它们的输出值经乘法器11之后形成定子电流的振幅，送给U相和V相的电流指令回路12。另一方面，从微处理器输出的U、V两相的相位[即sinθ和sin（θ-120°）]也被送到U相和V相的电流指令回路12，它实际上也是一个乘法器，通过它形成了U相和V相的电流指令。这个指令与电机电流反馈信号相与之后的误差，经放大后送至PWM控制回路14，变成频率为3kHz的脉宽信号。而W相信号则由Iu、IV两信号合成产生。上述脉冲信号经PWM变换器15控制电动机的三相交流电流。脉冲发生器16是一个速度检测器，用来产生每转256个脉冲的正、余弦波形，然后经四倍回路17变成1024脉冲／转。它一方面送微处理器，另一方面经F／V变换器19作为速度反馈送到比较器2，并与速度指令进行比较。但在低速时，由于F／V变换器的线性度较差，所以，此时的速度反馈信号由微分电路18和同步整流电路20产生。

图4-33　交流主轴伺服系统框图

1－速度指令； 2－速度反馈； 3－比例积分回路； 4－绝对值回路 ；5－负载表； 6－函数发生器；

7－V/F变换器 ；8－微处理器； 9－DA强励磁； 10－DA振幅器；11－乘法器；12－电流指令回路；

13－电流控制回路；14－PWM控制回路； 15－PWM变换器；16－脉冲发生器；17－四倍回路；

18－微分回路；19－F／V变换器；20－同步整流电路

2．数字主轴的控制

20世纪80年代后，微电子技术、交流调速理论、现代控制理论等有了很大发展，同时新型大功率半导体器件如大功率晶体管GTR、绝缘栅双极晶体管IGBT以及IPM智能模块，不断成熟并应用于交流驱动系统，可实现高转速和大功率主轴驱动，其性能已达到和超过直流驱动系统的水平。而且交流电动机体积小、重量轻，采用全封闭罩壳，防灰尘和防污染性能好，因此，现代数控机床90%都采用交流主轴驱动系统。主轴变频器实物图如图4-34所示。

交流主轴感应式电动机与选用的主轴变频驱动器配合。在基本速度以下为恒转矩区域，而在基本速度以上为恒功率区域。但有些电动机，当电动机速度超过某一定值之后，其功率速度曲线又会向下倾斜，不能保持恒动率。交流主轴电动机一般有1.5倍以上的过载能力，过载时间从几分钟到半个小时不等。

主轴装置（变频器）最基本的接口图，如图4-35所示，图中采用三相交流380V电源供电；速度指令由3、4脚输入（图中通过电位器从单元内部获得，在数控机床上一般由数控装置或PLC的模拟量输出接口输入），指令电压范围是直流0～10V；主轴电动机的启动/停止以及旋转方向由外部开关S₁、S₂控制，当S₁闭合时电动机正转，当S₂闭合时电动机反转，若S₁、S₂同时都断开或闭合则电动机停止。也可以定义为S₁控制电动机的启动和停止，S₂控制电动机的旋转方向。变频器根据输入的速度指令和运行状态指令输出相应频率和幅值的交流电源，控制电动机旋转。

图4-34　主轴变频器实物图

图4-35　主轴驱动装置基本接口图

如图4-36所示也适用于无反馈的矢量控制的变频器的接口图。采用有反馈矢量控制的变频器以及主轴伺服驱动器接口图基本相同，如图4-36所示是有反馈矢量控制的变频器的典型接口图。

图4-36　带速度反馈的主轴驱动器接口图

主轴驱动装置有如下特点：

（1）输入电源

一般采用交流电源供电，输入电源的范围包括三相交流460V、400V、380V、230V、200V，单相230V、220V、100V等，或在较大的范围内可调。为了实现大功率输出，主轴驱动装置通常采用不低于230V的三相交流电源。

（2）电动机运行指令

主轴驱动装置一般都具备和采用0~10V模拟电压作为速度指令，由开关量控制旋转方向，而不提供脉冲指令输入接口。很多主轴驱动装置也接收-10～+10 V模拟电压以及-20 mA ～+20mA 作为速度指令，其中，信号幅值控制转速，信号极性控制旋转方向。

（3）驱动装置及电动机运行状态控制

主轴驱动装置都提供控制电动机正/反转的开关量接口，进给驱动装置一般不提供，采用脉冲信号作为指令的进给驱动装置，只有当脉冲指令类型为“脉冲+方向”时，可以把方向信号理解为改变电动机方向的控制接口。而且主轴驱动装置的方向控制接口是和速度模拟指令接口一起出现的，多是DC24V开关量接口；进给驱动装置的‘方向’控制接口多是和‘脉冲’信号一起出现的，多是DC5V数字信号。

（4）反馈接口

由于主轴对位置控制的精度并不非常高，因此，对与位置控制精度密切相关的反馈装置要求也不高，主轴电动机或主轴多数采用1000线的编码器。