通用型交流变频调速器的伺服功能及应用

5 简易伺服应用实例

1)变频器简易伺服功能在电主轴上的应用

电主轴是数控机床的重要部件，传统机床主轴是通过传动装置带动主轴旋转而工作的。电主轴是电动机内装式主轴单元的简称。其主要特点是将电动机置于主轴内部，通过驱动电源直接驱动主轴进行工作，实现了电动机、主轴的一体化功能。它具有结构紧凑，机械效率高，噪声低，振动小，精度高，运行平稳，没有冲击等特点，能够使主轴轴承寿命得到延长。通过型号A机床专用变频器内置的机床专用功能，可完成动态高精度同步跟踪、分度、准停及零速锁定等功能，方便了用户的使用，同时还可进行一些简单的位置控制，很好控制动态位置精度，可控制在4个脉冲之内，稳态位置精度可控制在一个脉冲之内。其优异的性能、丰富的功能完全能够满足数控加工中心主轴控制的工艺和精度要求。

交流伺服主轴驱动系统由主轴控制器、主轴驱动单元、主轴电动机和检测主轴速度与位置的编码器4 部分组成，主要完成闭环速度控制。主轴驱动单元的位置控制与速度控制均由内部的高速信号处理器及控制系统实现，其原理框图如图3所示。图3中计算机数控系统(CNC)向主轴驱动单元发出速度指令或位置指令，驱动单元根据该指令执行相应的速度与位置控制。与此同时，CNC 控制器也接收来自于主轴电动机编码器的分频输出(或终端传感器的输出信号)来对其指令进行校正，当然，此信号也用于系统过程偏差的检测，如速度偏差检测等。

图3 电主轴驱动原理框图

为方便起见，现以一实际的电主轴系统为例进行描述。在该系统中，C N C 控制器采用的是台湾某品牌主轴控制器，驱动器使用A型号高性能机床专用版本变频器，电动机出厂配置2048RPM 差分增量式编码器。整个系统接线框图如图4所示。

图4 基于A型号变频器简易伺服功能的电主轴接线框图

主轴控制器通过PA + /PA -和PB+ /PB -正交脉冲信号向变频器发出速度和位置信号，同时也包含方向信号。变频器工作在伺服模式，既接收主轴控制器脉冲给定，又接收来自电动机的编码器反馈信号，同时对编码器信号进行分频，反馈到主轴控制器。无论是速度同步跟踪还是零速锁定，整个系统逻辑都非常简单，只需要将变频器设置为伺服模式，调试主要工作是根据电动机的特性曲线来调整变频器相关参数，以获得驱动系统的最佳性能。

2)变频器简易伺服功能在油电驱动技术中的应用

油压驱动技术是目前射出成型机使用最广泛的驱动控制方式，具有功率重量比大、压力和流量控制佳、寿命长及易维护等优点;而交流伺服电机驱动技术则具有响应快、精度高、恒转矩等优点。某品牌B型号油电伺服驱动器利用交流伺服电机驱动的油压系统，将伺服驱动技术、电机技术与油压技术结合，且以精确的压力与流量控制，消除高压节流的能源损耗，将射出成型机油压驱动技术再度创新。

伺服驱动器从射出成型机控制器获得压力机流量命令后，与实际压力和转速反馈进行PID运算，计算出最适合的控制量来驱动伺服电机与油泵，因此控制系统响应快、重复精度高，系统结构如图5所示。

图5 油电伺服驱动系统

传统的注塑机使用油压系统，其用电占注塑机的75%以上，在注塑机运行中，开模、射出、保压、关模等过程需要不同的压力和流量。当需求超过设定的流量及压力时，会由溢流阀或比例阀来调整压力流量，这个过程称之为高压节流，其所造成的能量损失高达40%-75%。基于B型号变频器伺服功能的油电驱动接线框图如图6所示。

图6 基于B型号变频器伺服功能的油电驱动接线框图

3)变频器简易伺服功能在提花机中的应用

现有提花机龙头动力传动系统大部分都是一个异步电机带一个龙头，通过机械传动来带动提花主轴电机。由于只有一个异步电机拖动打纬轴和提花龙头，使得异步电机需要很大的扭矩，那么电机的功耗就会上升，而且由于带动两个负载，异步电机的寿命会大大缩短。而在改用永磁同步电机的情况下，制造噪音大幅降低，提花编织效率提高了，简化机械结构，降低了安装成本和维护成本，因此，把永磁同步伺服电机应用到提花机伺服控制系统中已经成为现实的需要。

提花机龙头伺服电控系统包括主轴伺服驱动系统、HMI参数设置面板、伺服电机，实物图如图7所示。

图7 提花机龙头伺服电控系统实物图

提花机龙头伺服电控系统提供了龙头部分的整体解决方案，传动采用高精度的交流伺服系统，克服传统机械传动结构的不足，安装方便，维护工作量小，并且有一定的节能效果;龙头伺服电机采用自然冷却或水冷方式，更加适合纺织行业较恶劣的工作环境;由于整个系统采用了高运算速度和高精度的伺服系统，使得提花机龙头伺服系统具有提花编织效率提高，可方便手动调整电子提花系统参数，简化机械结构，降低安装成本和维护成本等特点。

采用上海某公司自主研发的C型号伺服驱动器搭建的提花机龙头伺服电控系统整体构架如图8所示，该驱动器是以DSP为核心的程序控制器，运算速度非常快，配合旋变控制板，抗干扰能力强、位置跟踪精确。采用该系统主要有以下优点：1) 取消织机与提花机之间的机械传动杆，简化机械结构，降低了安装成本和维护成本;2) 织造噪音大幅降低;3) 提高提花编织效率;4) 比传统机械传动系统省电10%~20%;5) 可方便手动调整电子提花系统参数，省时省力;6) 规格齐全、可满足不同类型提花机的功率需求，可适用于喷水、剑杆和喷气织机。

图8 提花机龙头伺服系统架构

提花龙头伺服系统是纺织机行业内较为先进的设备之一，可同时满足国内剑杆织机、喷气织机、喷水织机以及提花机等通用型织机主轴伺服系统，使纺织机械的自动化程度取得了较大的进步，在提升企业技术水平，稳定产品质量，提高生产效率等方面具有重大作用。这些年，随着国内纺织行业的迅猛发展，用伺服电机带动提花龙头替代传统机械传动的方式肯定会得到广泛应用。

6 结论

高端变频技术在不断发展，配合机电时间常数小的电机也能完成伺服的精确定位跟踪，特别是在大功率场合，伺服本身的功能就是精确快速定位跟踪，变频器做到这个程度就是伺服了。从企业的发展来看，变频器厂家推出伺服产品，无论是在技术基础还是在销售渠道都占据一定的优势，已经成为越来越多的变频器厂家的发展方向，目前已有多个品牌的通用变频器已开发出了简易伺服功能，而且推广应用较快。然而，通用变频器的简易伺服功能与专用伺服驱动器相比，在性能和功能方面还有一定的差距，因此通用变频器的伺服功能通常应用于一些对于伺服性能要求不高的场合，而一些高端应用则需要使用专用伺服驱动器。