變頻器在自動車床上的伺服定位方案

變頻器在自動車床上的伺服定位方案

引言

由于機床加工范圍較廣，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求機床執行部件具有不同的運動速度，因此機床的主運動應能進行調速，機床用戶對變頻器產品的調速作用更為關注。
主軸是車床構成中一個重要的部分，對于提高加工效率，擴大加工材料范圍，提升加工質量都有著很重要的作用，變頻器主要應用于主軸調速系統。目前在經濟型自動車床行業，變頻器以其低成本優勢得到了廣泛的應用。
一、自動車床工藝介紹
1.自(zi)動車(che)床(chuang)簡介

自動車床，是一種高性能，高精度，低噪音的走刀式自動車床，是通過凸輪來控制加工程序的自動加工機床。另外也有一些數控自動車床與氣動自動車床以及走心式自動車床，其基本核心是可以經過一定設置與調教后可以長時間自動加工同一種產品。特別適合銅、鋁、鐵、塑料等精密零件加工制造，適用于儀表、鐘表、汽車、摩托、自行車、眼鏡、文具、五金衛浴、電子零件、接插件、電腦、手機、機電、軍工等行業成批加工小零件，特別是較為復雜的零件。
2自動車床工藝說明
裝工件:主軸轉動到固定位置，機械手將工件裝入卡盤內；
加工工件:主軸快速加速到所需轉速，通過刀臺的移動加工產品；
卸工件:加工完成，將產品從卡盤內推出，同時卡盤快速的轉動到固定位置裝入下一個工件。
二、現場工藝要求及調試方案
1.現場要求:
（1）啟停速度快---加減速時間要求：加速0.5S，減速0.3S；
（2）定位響應快---定位時間：1秒以內；
（3）定位精度要求高---在2個脈沖以內；
2.調試方案

改(gai)造系(xi)統(tong)(tong)采用(yong)的方案為：高(gao)性能(neng)閉環(huan)矢量(liang)變頻(pin)器+分頻(pin)卡。系(xi)統(tong)(tong)方案中(zhong)，變頻(pin)器配備分頻(pin)卡，使系(xi)統(tong)(tong)工作運行在閉環(huan)矢量(liang)控制模式，實(shi)現(xian)變頻(pin)定(ding)位功能(neng)。因(yin)為在自動車床(chuang)中(zhong)，負(fu)載(zai)慣量(liang)大、減速時間短，需(xu)配備制動電阻(zu)，具體選型方法《V560系(xi)列高(gao)性能(neng)矢量(liang)變頻(pin)器說明書》。

圖(tu)1 電氣接線圖(tu)

3、主軸變頻(pin)定(ding)位系統原(yuan)理

本方案整體控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)框圖見下(xia)(xia)圖2。變頻(pin)(pin)器采用不控(kong)(kong)整流方式從(cong)三相電(dian)網(wang)取電(dian)，由三相逆變全橋通(tong)過(guo)空間(jian)矢量調制(zhi)(zhi)（SVPWM）、閉環矢量控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)（Field orientation control）實時控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)主(zhu)軸電(dian)機；通(tong)過(guo)傳動機構，將轉(zhuan)速(su)信號(hao)(hao)反饋(kui)到(dao)變頻(pin)(pin)器控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)單(dan)元(yuan)，反饋(kui)的轉(zhuan)速(su)信號(hao)(hao)通(tong)過(guo)分頻(pin)(pin)卡換算為(wei)角(jiao)度信號(hao)(hao)，與設定的角(jiao)度做差，經過(guo)PID單(dan)元(yuan)運算（加(jia)速(su)過(guo)程PID,穩態過(guo)程PID）得(de)到(dao)下(xia)(xia)一拍主(zhu)軸電(dian)機控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)轉(zhuan)速(su)指令（具有轉(zhuan)矩限幅功(gong)能），  從(cong)而實現主(zhu)軸轉(zhuan)速(su)、定位角(jiao)度的實時精確控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)。

圖(tu)2 主軸變頻定位系統原(yuan)理框圖(tu)

4、調試(shi)步驟及參數設(she)定：

系統中(zhong)涉(she)及到PID運(yun)算，在設置比(bi)例增益(yi)P值(zhi)、積分時(shi)間I值(zhi)、微分時(shi)間D值(zhi)時(shi)要按以下原則設置：轉速比(bi)例增益(yi)P值(zhi)越(yue)(yue)大(da)響(xiang)應越(yue)(yue)快(kuai)，但系統穩定性(xing)變差，過大(da)的增益(yi)可導致(zhi)轉速震蕩；積分時(shi)間常數I值(zhi)越(yue)(yue)小(xiao)響(xiang)應越(yue)(yue)快(kuai)，轉速超調越(yue)(yue)大(da)，穩定性(xing)越(yue)(yue)差。該(gai)參(can)(can)數與系統慣量(liang)成正比(bi)，慣量(liang)較大(da)時(shi)，該(gai)參(can)(can)數應當(dang)設置較大(da)數值(zhi)。

參數(shu)組中(zhong)轉速(su)(su)比(bi)例增(zeng)益1在(zai)主軸加速(su)(su)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)有(you)效，數(shu)值較比(bi)例增(zeng)益2大，用(yong)(yong)于提(ti)高響應速(su)(su)度；比(bi)例增(zeng)益2用(yong)(yong)于穩態過(guo)(guo)程(cheng)PI調整，為(wei)了增(zeng)加系統的穩定性，該參數(shu)數(shu)值較小。加速(su)(su)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)兩(liang)組PI參數(shu)可以通過(guo)(guo)滯環或連續(xu)切換方式，自動切換。

3、調(diao)試中出(chu)現的問題與(yu)解決方(fang)法：

（1）電機運行時出現震動及噪音(yin)

該現象原(yuan)因：過大的(de)增益比例P值有可(ke)能使(shi)轉(zhuan)速(su)震蕩，從而(er)穩(wen)速(su)精度下降，甚(shen)至使(shi)系統不穩(wen)定；反之，加(jia)速(su)過程緩慢(man)，系統響應(ying)速(su)度降低。載波頻率主要影響運行(xing)中的(de)音頻噪聲(sheng)和熱效應(ying)：載波頻率值較(jiao)小(xiao)，雖然提(ti)高了變頻器可(ke)帶最大負載量(liang)，但產生(sheng)的(de)噪音將同樣(yang)會(hui)增大。

解決方法：調整適當的(de)PID增益（F8.1.21和F8.1.25）；增大載(zai)波頻(pin)率。

（2）定位精度不高，定位時間長(chang)

該現象原因：過小的(de)位(wei)置環增益，導(dao)致(zhi)了系統響應速度減慢，在工況頻繁變化的(de)情況下定位(wei)精度下降。

解決方法：增大位置環PID的增益(Fb.2.21)。
三、實驗結果分析
南方某(mou)數控機(ji)床(chuang)廠采用該變頻定位方案過(guo)程后，達到(dao)交流(liu)主軸伺服驅動的(de)性能，在一(yi)臺電機(ji)功(gong)率(lv)為2.2KW的(de)自動車床(chuang)上進行試運行，實驗結果如下：

總結

通過實際的生產運用，將本方案應用于自動車床，實現了一次裝夾，節省了外部按鈕及中間繼電器，且加工效率也提高近20%，提高了生產效率，降低了生產成本，充分的發揮經濟型數控車床的優越性；經過長期應用，本方案運行穩定、響應迅速、定位精度高，與專用的交流主軸驅動系統相比更適合應用于經濟型自動車床領域。
參考文獻：
1.《V560系列高性能矢(shi)量變頻器說明書》 深圳市(shi)四方電氣技(ji)術有限公司