通用型交流變頻調速器的伺服功能及應用

5 簡易伺服應用實例

1)變頻器簡易伺服功能在電主軸上的應用

電主軸是數控機床的重要部件，傳統機床主軸是通過傳動裝置帶動主軸旋轉而工作的。電主軸是電動機內裝式主軸單元的簡稱。其主要特點是將電動機置于主軸內部，通過驅動電源直接驅動主軸進行工作，實現了電動機、主軸的一體化功能。它具有結構緊湊，機械效率高，噪聲低，振動小，精度高，運行平穩，沒有沖擊等特點，能夠使主軸軸承壽命得到延長。通過型號A機床專用變頻器內置的機床專用功能，可完成動態高精度同步跟蹤、分度、準停及零速鎖定等功能，方便了用戶的使用，同時還可進行一些簡單的位置控制，很好控制動態位置精度，可控制在4個脈沖之內，穩態位置精度可控制在一個脈沖之內。其優異的性能、豐富的功能完全能夠滿足數控加工中心主軸控制的工藝和精度要求。

交流伺服主軸驅動系統由主軸控制器、主軸驅動單元、主軸電動機和檢測主軸速度與位置的編碼器4 部分組成，主要完成閉環速度控制。主軸驅動單元的位置控制與速度控制均由內部的高速信號處理器及控制系統實現，其原理框圖如圖3所示。圖3中計算機數控系統(CNC)向主軸驅動單元發出速度指令或位置指令，驅動單元根據該指令執行相應的速度與位置控制。與此同時，CNC 控制器也接收來自于主軸電動機編碼器的分頻輸出(或終端傳感器的輸出信號)來對其指令進行校正，當然，此信號也用于系統過程偏差的檢測，如速度偏差檢測等。

圖3 電主軸驅動原理框圖

為方便起見，現以一實際的電主軸系統為例進行描述。在該系統中，C N C 控制器采用的是臺灣某品牌主軸控制器，驅動器使用A型號高性能機床專用版本變頻器，電動機出廠配置2048RPM 差分增量式編碼器。整個系統接線框圖如圖4所示。

圖4 基于A型號變頻器簡易伺服功能的電主軸接線框圖

主軸控制器通過PA + /PA -和PB+ /PB -正交脈沖信號向變頻器發出速度和位置信號，同時也包含方向信號。變頻器工作在伺服模式，既接收主軸控制器脈沖給定，又接收來自電動機的編碼器反饋信號，同時對編碼器信號進行分頻，反饋到主軸控制器。無論是速度同步跟蹤還是零速鎖定，整個系統邏輯都非常簡單，只需要將變頻器設置為伺服模式，調試主要工作是根據電動機的特性曲線來調整變頻器相關參數，以獲得驅動系統的最佳性能。

2)變頻器簡易伺服功能在油電驅動技術中的應用

油壓驅動技術是目前射出成型機使用最廣泛的驅動控制方式，具有功率重量比大、壓力和流量控制佳、壽命長及易維護等優點;而交流伺服電機驅動技術則具有響應快、精度高、恒轉矩等優點。某品牌B型號油電伺服驅動器利用交流伺服電機驅動的油壓系統，將伺服驅動技術、電機技術與油壓技術結合，且以精確的壓力與流量控制，消除高壓節流的能源損耗，將射出成型機油壓驅動技術再度創新。

伺服驅動器從射出成型機控制器獲得壓力機流量命令后，與實際壓力和轉速反饋進行PID運算，計算出最適合的控制量來驅動伺服電機與油泵，因此控制系統響應快、重復精度高，系統結構如圖5所示。

圖5 油電伺服驅動系統

傳統的注塑機使用油壓系統，其用電占注塑機的75%以上，在注塑機運行中，開模、射出、保壓、關模等過程需要不同的壓力和流量。當需求超過設定的流量及壓力時，會由溢流閥或比例閥來調整壓力流量，這個過程稱之為高壓節流，其所造成的能量損失高達40%-75%。基于B型號變頻器伺服功能的油電驅動接線框圖如圖6所示。

圖6 基于B型號變頻器伺服功能的油電驅動接線框圖

3)變頻器簡易伺服功能在提花機中的應用

現有提花機龍頭動力傳動系統大部分都是一個異步電機帶一個龍頭，通過機械傳動來帶動提花主軸電機。由于只有一個異步電機拖動打緯軸和提花龍頭，使得異步電機需要很大的扭矩，那么電機的功耗就會上升，而且由于帶動兩個負載，異步電機的壽命會大大縮短。而在改用永磁同步電機的情況下，制造噪音大幅降低，提花編織效率提高了，簡化機械結構，降低了安裝成本和維護成本，因此，把永磁同步伺服電機應用到提花機伺服控制系統中已經成為現實的需要。

提花機龍頭伺服電控系統包括主軸伺服驅動系統、HMI參數設置面板、伺服電機，實物圖如圖7所示。

圖7 提花機龍頭伺服電控系統實物圖

提花機龍頭伺服電控系統提供了龍頭部分的整體解決方案，傳動采用高精度的交流伺服系統，克服傳統機械傳動結構的不足，安裝方便，維護工作量小，并且有一定的節能效果;龍頭伺服電機采用自然冷卻或水冷方式，更加適合紡織行業較惡劣的工作環境;由于整個系統采用了高運算速度和高精度的伺服系統，使得提花機龍頭伺服系統具有提花編織效率提高，可方便手動調整電子提花系統參數，簡化機械結構，降低安裝成本和維護成本等特點。

采用上海某公司自主研發的C型號伺服驅動器搭建的提花機龍頭伺服電控系統整體構架如圖8所示，該驅動器是以DSP為核心的程序控制器，運算速度非常快，配合旋變控制板，抗干擾能力強、位置跟蹤精確。采用該系統主要有以下優點：1) 取消織機與提花機之間的機械傳動桿，簡化機械結構，降低了安裝成本和維護成本;2) 織造噪音大幅降低;3) 提高提花編織效率;4) 比傳統機械傳動系統省電10%~20%;5) 可方便手動調整電子提花系統參數，省時省力;6) 規格齊全、可滿足不同類型提花機的功率需求，可適用于噴水、劍桿和噴氣織機。

圖8 提花機龍頭伺服系統架構

提花龍頭伺服系統是紡織機行業內較為先進的設備之一，可同時滿足國內劍桿織機、噴氣織機、噴水織機以及提花機等通用型織機主軸伺服系統，使紡織機械的自動化程度取得了較大的進步，在提升企業技術水平，穩定產品質量，提高生產效率等方面具有重大作用。這些年，隨著國內紡織行業的迅猛發展，用伺服電機帶動提花龍頭替代傳統機械傳動的方式肯定會得到廣泛應用。

6 結論

高端變頻技術在不斷發展，配合機電時間常數小的電機也能完成伺服的精確定位跟蹤，特別是在大功率場合，伺服本身的功能就是精確快速定位跟蹤，變頻器做到這個程度就是伺服了。從企業的發展來看，變頻器廠家推出伺服產品，無論是在技術基礎還是在銷售渠道都占據一定的優勢，已經成為越來越多的變頻器廠家的發展方向，目前已有多個品牌的通用變頻器已開發出了簡易伺服功能，而且推廣應用較快。然而，通用變頻器的簡易伺服功能與專用伺服驅動器相比，在性能和功能方面還有一定的差距，因此通用變頻器的伺服功能通常應用于一些對于伺服性能要求不高的場合，而一些高端應用則需要使用專用伺服驅動器。