Application of Inverter In Machine Tool Spindle Control System
摘 要：数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品，是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。本文介绍台达M系列变频器在车床主轴控制系统中的应用。
Abstract: Numerical controlled machine tool is a mechatronics product that incorporated mechanics, electric, hydraulic, air powered, microelectronics and information together. It is the working master among mechanical manufacturing equipments with high accuracy, high efficiency, high automated and high flexibility. This article introduces the application of Delta M series inverter in machine tool spindle control system.
1 引 言
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。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。主轴是车床构成中一个重要的部分，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。台达M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。
2 台达M系列变频器性能简介
M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，其主要特点是：体积小，属于“迷你”型产品，占用控制柜空间较小；控制方式为正弦波SPWM（提供速度反馈矢量控制），控制性能较VF控制方式有很大改善，特别是在低速转矩上满足机床主轴的需求，5HZ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（输入阻抗47Kohm，输出阻抗250Kohm），能够与大多数数控系统接口兼容，通用性强；过负载能力强，150%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，速度到达信号，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；提供三组异常纪录，供维修人员从侧面了解机床主轴实际的运行状况；电机参数自动整定功能，在线识别电机参数，保证系统的稳定性和精确性。
3 车床主轴控制系统
3．1 车床主轴控制系统原理
控制系统接线图如图1所示。选配电机为3.0KW/50Hz/380V，选用变频器型号为VFD037M43，制动电阻400W/150ohm。
图1 控制系统接线图
变频器AVI/GND端子给数控系统提供速度模拟量，AVI接数控系统模拟量接口正信号，GND接负信号，信号为0-10V模拟电压信号，控制主轴转速。M0/M1/GND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M0/GND或者M1/GND，从而控制车床主轴的正反转。
3．2 控制系统参数调试
在参数调整过程中，应当注意：P00参数，选择主频率输入，设置为模拟信号0-10V输入（1）；P01参数，运转信号，设置为外部端子信号控制（2）；P03，最高操作频率选择，对应于模拟信号10V输入时变频器的输出频率，由于在0-3500rpm范围内调速，考虑机械减速比，该此参数可设置为184HZ；P04和P05按照电机铭牌设置，P04=50Hz，P05=380V；P10和P11为加速时间和减速时间，根据客户的要求，P10=5S，P11=5S；P105为控制方式的选择，选择矢量控制，P105=1。
特别需要注意的是，由于矢量控制需要提供电机参数（阻抗），变频器提供电机参数自整定功能P103，选择P103=2，通过面板运行键，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，其这个过程会持续十几秒钟时间。
4 测试与运行
系统实际测试结果如表1和表2所示，
从表1和表2可以看出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，最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，完全能够满足数控机床的需求。投入运行后，使用效果令人满意，说明台达M系列变频器在车床主轴控制系统中的应用是成功的。
