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摘要：现今国内经济型数控机床及机床的改造技术中主轴的调速控制多采用变频器来实现其控制。本文就融合变频器调速装置、PMC、数控系统和伺服驱动系统实现数控机床主轴控制进行了深入研究。
关键词：变频器；CNC；主轴 PMC
前 言：
数控机床变频主轴驱动系统主要包括CNC或伺服驱动器的主轴控制部分、变频器、三相异步电动机。变频调速系统的速度控制指令是由CNC控制器或伺服系统发出的模拟电压信号，根据指令电压的大小调整电源频率，从而实现主轴电机的无极调速。变频器实际就是电压频率变换器，是一种根据指令电压的大小将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电，以供给电动机运转并实现速度控制的电源装置。
变频器接受的控制信号可以是由CNC发出的模拟信号来控制速度，由PMC发出数字信号控制正反转，也可以由伺服放大器发出使能信号并通过D/A转换器发出模拟信号对其进行控制。当然通用变频器除了用在数控机床上同CNC、伺服系统一起构成自动控制系统外还可以作为独立的控制器，可以形成单机驱动系统。但是由于普通的三相异步电动机没有集成编码器，如果机床需要加工螺纹、主轴定向，那么就需要外加编码器了。
(2)变频器主电源电路的连接
数控机床主轴电动机的功率一般都会较大，但为了减小感性负载对电网功率因数的影响，在变频器电源电路上应安装电抗器。且由于变频器对周围的部件产生的电磁干扰较大，应在电源进线上安装滤波器以减小噪声干扰。在电器部件的安装上，CNC等控制板、编码器信号电缆等这些弱电部件应远离变频器以防止干扰，为了进一步减少干扰提高数控机床控制系统的稳定性，也可以为变频器加装防护罩。变频器到主轴电机的电缆应与信号电缆分开走线，且在电气柜中的长度尽可能短，这类电缆应采用屏蔽电缆。
(3)控制信号的连接
变频器的型号规格虽多，但是命令信号来源大致相同，包括面板控制、旋转电位器控制、固定挡位的开关量控制、上位机指令控制。变频器在数控机床主轴驱动系统的应用主要是上位机指令控制方式也就是接收CNC或伺服放大器主轴模块的模拟量信号及数控系统或PMC发出的控制主轴正反转信号。
(1)选择正确的控制模式
控制方式有三种：双极性主轴，±10V模拟电压与数字伺服使能控制；单极性主轴0～10V模拟电压与数字伺服使能和旋转方向控制；单极性主轴0～10V模拟电压与数字正反方向使能控制。
(2)变频器工作方式的选择
根据负载的不同变频器的工作方式也有所区别。变频器工作于线性v/?控制方式，调速时的磁通与励磁电流基本不变。适用于工作转速不在低频段的一般恒转矩调速对象。变频器工作于抛物线特性v/?控制方式，这种方式使电压随着输出频率的减小以平方关系减小。变频器工作于矢量控制，这种控制高速范围宽，低速范围起动力矩高、响应快，适用于高精度调速。变频器工作于矢量转矩控制，这种控制方式是目前最先进的控制方式，直接取交流电动机的参数进行控制，控制简单且精确度高。
(3)转动惯量的设置
电动机与负载转动惯量的设置也是不能忽视的，如果转动惯量设置不当会使系统振荡，调速精度也会受到影响。转动惯量公式为：
J=T/（dω/dt）。
可以通过让变频器工作在频率合适值的情况下，分别使电动机空载和带负载运行，得出额定转矩和电动机的起动时间，再将变频器工作频率换算成对应的角速度，代入公式计算得出电动机与负载转动惯量。只有设置好电动机的惯量与驱动装置的总惯量/电动机惯量的比值才可以提高变频器的调速性能。
(4)其它重要参数设置
电动机的额定功率、电流、电压、最大频率、加速时间、减速时间的设置须在使用变频器之前进行。其中加速时间为输出频率从零上升到最大频率所需要的时间，减速时间是指从最大频率下降到零所需要的时间。加速时间设置的约束是将电流限制在过电流范围内，不应使过电流保护装置动作。电动机在减速运转期间，变频器将处于再生发电制动状态，传动系统中所储存的机械能转换为电能并通过逆变器将电能回馈到直流侧，回馈的电能将导致中间回路的储能电容器两端电压上升。因此，减速时间设置的约束是防止直流回路电压过高。所以加速时间和减速时间设置的合理对电动机的起动、停止运行及调速系统的响应速度都有重大影响。
5、结论
变频器调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果得到了广泛应用。目前我国机床制造业正在快速发展，对于经济型的数控机床来说正确合理的应用变频器来实现主轴速度控制对我国机床制造业的发展具有重要的意义。■
参考文献
张爱红．数控系统及应用[M]．南京：江苏教育出版社，2010．
刘江．数控机床故障诊断与维修[M]．北京：高等教育出版社，2007．
关键词：变频器；CNC；主轴 PMC
前 言：
数控机床变频主轴驱动系统主要包括CNC或伺服驱动器的主轴控制部分、变频器、三相异步电动机。变频调速系统的速度控制指令是由CNC控制器或伺服系统发出的模拟电压信号，根据指令电压的大小调整电源频率，从而实现主轴电机的无极调速。变频器实际就是电压频率变换器，是一种根据指令电压的大小将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电，以供给电动机运转并实现速度控制的电源装置。
1、变频器实现机床主轴无极调速机械换档
变频器控制的主轴驱动系统低速时输出转矩低，易出现爬行现象，因此采用变频主轴的机床，常采用变速箱机械调速和变频器电气调速相结合的方法，以扩大主轴的调速源于：论文发表网www.udooo.com
范围来提高主轴低速时的输出转矩，充分发挥主轴电机的切削功率。变速箱中不同挡位齿轮的啮合由PMC控制实现自动换挡，同时在每一个机械挡位又可以由变频器实现电气无极调速，这就是我们常采用的分段无极调速。2、控制过程
机床运行时当加工程序中出现换档数控程序指令时，经指令译码传给PMC经PMC程序处理后，主轴以换挡速度运行，通过PMC输出信号控制外部执行元件，可以采用液压拨叉离合装置拨动齿轮换档，也可以通过控制电磁离合器实现自动换档，换挡到位后传感器把相应的到位信号输入PMC，PMC根据输入的不同挡位信号对相应CNC控制地址编码，CNC根据指令速度、挡位信息、以及数控系统参数中设置的各挡速度，计算控制电压大小并输出给变频器，实现主轴速度的控制。3、主轴变频器调速系统的连接
(1)变频器与控制系统的连接变频器接受的控制信号可以是由CNC发出的模拟信号来控制速度，由PMC发出数字信号控制正反转，也可以由伺服放大器发出使能信号并通过D/A转换器发出模拟信号对其进行控制。当然通用变频器除了用在数控机床上同CNC、伺服系统一起构成自动控制系统外还可以作为独立的控制器，可以形成单机驱动系统。但是由于普通的三相异步电动机没有集成编码器，如果机床需要加工螺纹、主轴定向，那么就需要外加编码器了。
(2)变频器主电源电路的连接
数控机床主轴电动机的功率一般都会较大，但为了减小感性负载对电网功率因数的影响，在变频器电源电路上应安装电抗器。且由于变频器对周围的部件产生的电磁干扰较大，应在电源进线上安装滤波器以减小噪声干扰。在电器部件的安装上，CNC等控制板、编码器信号电缆等这些弱电部件应远离变频器以防止干扰，为了进一步减少干扰提高数控机床控制系统的稳定性，也可以为变频器加装防护罩。变频器到主轴电机的电缆应与信号电缆分开走线，且在电气柜中的长度尽可能短，这类电缆应采用屏蔽电缆。
(3)控制信号的连接
变频器的型号规格虽多，但是命令信号来源大致相同，包括面板控制、旋转电位器控制、固定挡位的开关量控制、上位机指令控制。变频器在数控机床主轴驱动系统的应用主要是上位机指令控制方式也就是接收CNC或伺服放大器主轴模块的模拟量信号及数控系统或PMC发出的控制主轴正反转信号。
4、主轴变频器调速系统的参数设置
变频器在工作过程中能否满足传动系统的要求变频器的参数设置非常重要，如果参数设置不正确会导致变频器不能正常工作。变频器的参数可以通过操作面板或利用调试软件进行设置和修改。(1)选择正确的控制模式
控制方式有三种：双极性主轴，±10V模拟电压与数字伺服使能控制；单极性主轴0～10V模拟电压与数字伺服使能和旋转方向控制；单极性主轴0～10V模拟电压与数字正反方向使能控制。
(2)变频器工作方式的选择
根据负载的不同变频器的工作方式也有所区别。变频器工作于线性v/?控制方式，调速时的磁通与励磁电流基本不变。适用于工作转速不在低频段的一般恒转矩调速对象。变频器工作于抛物线特性v/?控制方式，这种方式使电压随着输出频率的减小以平方关系减小。变频器工作于矢量控制，这种控制高速范围宽，低速范围起动力矩高、响应快，适用于高精度调速。变频器工作于矢量转矩控制，这种控制方式是目前最先进的控制方式，直接取交流电动机的参数进行控制，控制简单且精确度高。
(3)转动惯量的设置
电动机与负载转动惯量的设置也是不能忽视的，如果转动惯量设置不当会使系统振荡，调速精度也会受到影响。转动惯量公式为：
J=T/（dω/dt）。
可以通过让变频器工作在频率合适值的情况下，分别使电动机空载和带负载运行，得出额定转矩和电动机的起动时间，再将变频器工作频率换算成对应的角速度，代入公式计算得出电动机与负载转动惯量。只有设置好电动机的惯量与驱动装置的总惯量/电动机惯量的比值才可以提高变频器的调速性能。
(4)其它重要参数设置
电动机的额定功率、电流、电压、最大频率、加速时间、减速时间的设置须在使用变频器之前进行。其中加速时间为输出频率从零上升到最大频率所需要的时间，减速时间是指从最大频率下降到零所需要的时间。加速时间设置的约束是将电流限制在过电流范围内，不应使过电流保护装置动作。电动机在减速运转期间，变频器将处于再生发电制动状态，传动系统中所储存的机械能转换为电能并通过逆变器将电能回馈到直流侧，回馈的电能将导致中间回路的储能电容器两端电压上升。因此，减速时间设置的约束是防止直流回路电压过高。所以加速时间和减速时间设置的合理对电动机的起动、停止运行及调速系统的响应速度都有重大影响。
5、结论
变频器调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果得到了广泛应用。目前我国机床制造业正在快速发展，对于经济型的数控机床来说正确合理的应用变频器来实现主轴速度控制对我国机床制造业的发展具有重要的意义。■
参考文献
张爱红．数控系统及应用[M]．南京：江苏教育出版社，2010．
刘江．数控机床故障诊断与维修[M]．北京：高等教育出版社，2007．