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项目四 数控车床主轴开环矢量控制主编 李方园 项目4 数控车床主轴的开环矢量控制 当前机械制造业发展的一个明显动向是：越来越广泛地应用数控技术，普通机械逐渐被高效率、高精度的数控机械所代替。数控车床的一个重要核心就是主轴变频控制，并要求调速范围要宽、低速时大转矩输出，这只有矢量控制才能符合要求。 数控车床主轴的开环矢量控制 开环矢量变频调速控制系统就是取消了变频调速系统的速度检测装置，通过建立一个感应电机的精确模型，间接计算法求出传动运行中电机的实际转速值作为转速的反馈信号。本项目将着重介绍电机参数的辨识及在数控车床主轴传动关控制中的应用 。 本项目的学习目标如下： 知识目标：熟悉开环矢量控制下的感应电动机、变频器、控制系统的接线方法；了解变频器开环矢量控制的参数设置；掌握感应电动机在变频矢量控制下的输出特性。 本项目的学习目标如下： 技能目标：能根据电气原理图连接数控装置与变频器；能进行变频器投入运转的参数设置，能对感应电动机进行参数辨识。 本项目的学习目标如下： 职业素养目标：树立系统与部件的概念，掌握在制造业成为工业化象征的背景下变频器应该进一步适应数控技术才是工程应用的方向。 4.1 项目背景及要求 4.1.1 项目背景 在机械制造业中，用普通机床加工复杂的零部件或具有较高精确度的批量产品时，如车削内外圆柱面、圆锥面、环槽及成形回转表面，以及车削端面及各种常用的螺纹，常常需要熟练的技术工人手工操作来完成，这种效率低下的传统加工方式已无法满足现代制造业的需求。随着计算机技术的飞速发展，先进的数控车床应运而生，并逐渐成为主流的工具机床。 4.1 项目背景及要求 4.1.1 项目背景 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%。 4.1 项目背景及要求 4.1. 2 控制要求 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： 4.1 项目背景及要求 4.1. 2 控制要求 A、宽调速范围，且速度稳定性能要高； B、在断续负载下，电机的转速波动要小； C、加减速时间短； D、过载能力强； E、噪声低、震动小、寿命长。 4.1 项目背景及要求 已知某系列数控车床主轴电机功率为2.2KW，其数控系统采用HNC-21系列控制器，请选择合适的变频器，并进行接线与调试。 4.2 知识讲座：开环矢量控制与变频制动 4.2.1 变频器矢量控制原理 变频器的矢量控制是20世纪70年代开始迅速发展起来的一种新型控制思想，是以电机控制参数的实时解耦，来实现电机的转矩与磁通控制，以达到与直流电机一样的调速性能。异步电机矢量控制调速系统经过近几十年的发展，其控制方法已趋成熟。 4.2 知识讲座：开环矢量控制与变频制动 4.2.1 变频器矢量控制原理 1. 基本原理 异步电动机的矢量控制是仿照直流电动机的控制方式，把定子电流的磁场分量和转矩分量解耦开来，分别加以控制，即将异步电动机的物理模型等效地变成类似于直流电动机的模式。 4.2 知识讲座：开环矢量控制与变频制动 1. 基本原理 众所周知，交流电机三相对称的静止绕组 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦电流时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，以同步转速ω（即电流的角频率）顺着 A-B-C 的相序旋转。 4.2.1 变频器矢量控制原理 如图所示图4.2b中绘出了两相静止绕组α 和β，它们在空间互差90°，通以时间上互差90°的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势 F 。当图a和b的两个旋转磁动势大小和转速都相等时，即认为图4.12b的两相绕组与图4.2a的三相绕组等效。再看图4.2c中的两个匝数相等且互相垂直的绕组 M 和T，其中分别通以直流电流 iM 和iT，产生合成磁动势 F，其位置相对于绕组来说是固定的 4.2.1 变频器矢量控制原理 如果让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁动势 F 自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图4.2a 和图4.2b 中的磁动势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组都等效了。 4.2.1 变频器矢量控制原理 当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，M 和 T是两个通以直流而相互垂直的静止绕组。如果控制磁通的位置在M轴上，就和直流电机物理模型没有本质上的区别了。这时，绕组M相当于励磁绕组，T相当于伪静止的电枢绕组。 4.2.1 变频器矢量控制原理 由此可见，以产生同样的旋转磁动势为