高性能电主轴驱动系统研制 - 文章

高性能电主轴驱动系统研制

作者：中国科学院电工研究所葛琼漩许海平

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摘要：介绍了一种高精度的交流电主轴调速系统。该系统不仅具有高精度动静态速度调节性能，而且具有高精度定位功能，广泛应用于高速数控机床、加工中心。

1 前言

电主轴是将电动机直接装在主轴头内，减少了一般主轴需要的皮带轮、齿轮或变速箱等机械变速机构，提高了传动效率，而且将松拉刀机构与电主轴接为一体，故其结构紧凑，实现了所谓的“零传动”，一般用于加工中心、高速铣等机床中。对加工中心用电主轴而言，由于它比一般机床多了一项自动换刀功能，故其控制系统还须具有高精度定位功能以实现自动对刀，这就对交流主轴驱动系统提出了更高要求。近几年来，国内高性能数字交流主轴驱动系统主要依赖进口，价格高、维修困难。因此，尽快开发出技术性能高、价格低廉的国产化交流主轴驱动系统的系列化产品，以提高数控机床性能，降低成本，提高国产数控机床的竞争力，是发展我国数控机床产业巫待解决的重要课题。为此我们研制出了高性能电主轴驱动装置。

2 系统结构

1) 主电路

系统主电路采用常见的交-直-交电压型PWM逆变器结构形式，见图1。功率开关采用三菱公司的IPM(intelligentl power module)智能功率模块。该功率模块将驱动、短路、过热及欠压保护等集成为一体，简化了控制电路。IPM的驱动信号为PWM制信号，由电流滞环比较器产生，经死区延时后驱动IPM动作。母线中串联电抗器L使直流母线电压平稳；为了实现快速制动，设置了相应的脉冲电阻制动电路。当母线电压高于650V时，功率开关管Tz闭合，系统将机械能消耗在电阻Rz上，实现能耗制动。

图1 系统主电路

2) 控制系统

控制系统采用双CPU结构。以Intel公司的16位单片机80C196KC/20M作为主CPU，与可编程外围器件ZPSD411A2构成基本系统，主要承担电动机转速计算、速度及位置PID调节、矢量变换计算等任务。从CPU为89C51，主要实现面板监控管理工作，完成LED数码管及指示灯的显示以及键盘输入处理功能。双CPU之间通过扩展一片8251进行串行通信，通信接口采用RS232标准，保证一定范围内(50m)的远程监控。速度及位置检测电路、数字及脉冲量输入电路以及逻辑译码电路和功率模块的死区补偿电路均采用大规模逻辑门阵集成电路，提高了系统的可靠性。其控制电源采用抗干扰性能良好的开关电源，保证结构和性能的优化。

3) 接口电路

为了使系统调试方便且能与不同厂家生产的CNC系统接口信号相容，还设计了多种形式的接口电路，主要有：键盘输入；±10V模拟量输入；12位数字量输入；脉冲量输入等多种速度输入方式，以尽可能地满足用户的不同需求。另外为了便于与CNC通信，还设计了多个电平握手信号，如零速到达、定位完成、系统故障等以及继电器输出电路。

4) 检测电路

检测环节主要有以下两部分。

电流检测由于数控机床要求较宽的调速范围，电动机运行速度要求从几十转至几万转。因此，输出电流的频率变化范围较大，一般的电流互感器不能满足要求。另外为了获得系统快速的电流跟踪性能，采用磁平衡式霍尔电流互感器对输出电流进行检测。霍尔电流互感器的测量精度和线性度较高，频带宽，响应时间短。由于三相绕组采用Y型接法，故有ia+ib+ic=O，只须检测任意两相电流便可知道三相电流值，将三相检测的实际电流与其对应相的给定电流通过滞环比较器后驱动IPM功率开关管动作，实现三相电压PWM调制。

转速及位置检测由于数控机床要求转速控制精度较高，为此系统采用速度闭环控制策略。本系统采用1024高分辨率的光电脉冲编码器来实时检测反馈速度，为了提高速度控制精度，将光电脉冲编码器信号经过整形及4倍频处理后进入CPU计算速度处理。给定速度与反馈速度的误差通过PI调节器调节转矩电流值来实现速度闭环控制。由于电动机旋转一周对应1024个脉冲数，因而可以通过记录光电编码器的脉冲数来获得电动机转子的位置，实现定位控制。

5) 保护功能

为使系统能够安全可靠工作，采用了过流、短路、直流过压、欠压、交流欠压、缺相、器件过热、上电及断电等多级保护，并有故障代码显示及记忆功能。

过流保护不仅利用IPM 智能模块本身所具有的短路过流保护功能，而且在硬件上增设一级过流保护，起到双重保护的作用。

3 控制策略

针对数控机床高精度要求，控制算法采用转子磁场定向矢量控制方法。采用矢量控制技术是把交流电动机模拟直流电动机来控制，通过坐标变换可将交流电动机定子电流空间矢量分解成按转子磁场定向的两个直流分量，即磁场电流分量IM和转矩电流分量Ir, 并分别对这两个分量进行控制，从而获得与直流电动机相同的调速性能。在基速以下采用恒磁通控制，在基速以上采用弱磁控制策略，这样保证了主轴加工过程中需要满足的基速以下恒转矩运行，基速以上恒功率运行特性。

系统控制采用电流内环，速度外环的策略，实现双闭环控制；在系统需要高精度定位的情况下，在速度环外再加一层位置闭环，从而实现三环控制。

4 结束语

该电主轴驱动系统充分运用了当代先进的微处理器技术、电力电子技术、交流异步电动机矢量控制技术及自动控制理论，它不仅能够使电动机在整个调速范围内平滑稳定地运转，噪声低，振动小，而且还具有主袖定向控制及机床必须的其它功能。对洛阳轴承研究所研制生产的DZH5.5kW/7.5kW电主轴进行驱动控制实验，实验结果表明该系统实现了高精度调速及定位要求，具有良好的动静态性能。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/29/2008)


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