机床数控流转主轴服从体系的研发
机床装置数控流转主轴服从体系的研发
时间：2011-6-30 文章来源：中国数控机床网
1.主轴电机工作特性
主轴电机特性曲线在机床实际加工过程中，要求有较广的调速范围，因此主轴电机必须按照特性曲线工作：基速以下应满足恒转矩要求，基速以上应满足恒功率要求。另外，一般要求电机有一定的过载能力，即能在150额定功率下运行30min.
2.控制系统基本原理
主轴驱动单元控制策略：为了达到高精度速度调节及主轴换刀时的定位要求，在控制上采用速度闭环磁通矢量控制。矢量控制技术根据交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换的手段，将交流电机定子电流分解成两个分量：一个是用来产生转子磁通的励磁分量iM，另一个是用来产生电磁转矩的转矩分量iT以实现解耦控制。此时电机电磁转矩为：Mem=pL2mLriMiT也即与直流机具有相似的转矩方程。在实现解耦控制情况下，可通过单独控制iM和iT实现类似直流电机的调速控制，获得与直流调速相当的高性能调速特性。
本系统采用速度和电流双闭环控制，速度给定信号Ξ3r与实际电机速度Ξr相比较，其误差信号经过PI调节器后作为转矩电流给定值i3T；激磁电流给定值i3M按照基频以下恒磁通，基频以上弱磁的调节规律给出，i3T和i3M通过矢量坐标旋转变换以及23变换后，得到定子电流值给定值i3a，i3b，i3c，将其与实际电流值ia，ib，ic比较后，获得三相电压的驱动信号。
转速检测环节采用高精度正交型光电编码器，其输出经四倍频后由计数器计脉冲个数作为速度和位置反馈信号，采用数字PID调节，实现速度闭环控制和主轴定位控制。为了得到快速电流响应，电流环采用模拟滞环比较PWM控制策略。
系统构成
1.控制系统设计
控制电路采用双CPU结构。以80C196KC作为主CPU与可编程外围器件PSD411A2构成基本系统，执行电机转速检测，速度及位置PID调节，矢量变换计算出定子频率，转矩电流分量和励磁电流分量给定值等。由CPU89C51执行面板监控，完成LED数码管与指示灯的显示以及键盘输入处理功能。双CPU之间通过扩展一片8251进行串行通讯，通讯接口采用RS232标准，保证一定范围内（<50m）的远程监控。另有RS232接口与上位机通讯。
速度信号输入方式有±10V模拟量输入、12位数字量输入和脉冲量输入3种，以满足用户的不同需求。
控制电源采用抗干扰性能良好的开关电源，保证结构和性能的优化。为使系统工作安全可靠，采用了过流、短路、直流过压、欠压、交流欠压、缺相、器件过热、上电及断电等多级保护，并有故障代码显示及记忆功能。
2.主电路设计
控制系统主电路，为交-直-交电压型PWM逆变器，功率开关采用了三菱公司的IPM智能功率模块。驱动信号为PWM调制信号，由电流滞环比较器产生，经过死区延时后驱动IPM动作。为了实现快速制动，设置了相应的脉冲电阻制动电路。
实验结论
我们对3.72.2kW至3730kW等9种系列产品进行了实验，结果表明，该系统实现了高精度调速及定位要求，具有良好的动静态性能，其主要技术指标如下：
1.调速范围广，且具有恒转矩及恒功率特性。
调速比大于1∶200，最高可达1∶1000；恒功率范围最小1∶4，最高达1∶10.
2.控制精度：速度精度达0.1最高速度（负载由10～100），数字给定的分辨率达0.1，模拟输入分辨率达0.5，定位精度小于±0.1°。
3.运行范围：四象限，二种制动方式，一种采用直流母线能耗制动，一种采用再生回馈制动。
4.保护功能齐全：具有过流、短路、直流过压、欠压、交流欠压、缺相、散热器过热、电机过热、上电及断电、控制电源失效等保护功能，并具有故障代码显示及记忆功能（能存贮最近10次故障代码）。
工程上广泛存在流量检测问题。涡轮流量传感器是精密流量测量工具之一，基本误差小，量程比宽，动态特性好，时间常数小，可测量脉动流量，耐高压及压力损失小，使用温度范围宽，可测量小到0.01m3h大到7000m3h的流量，可输出数字信号，便于与微机或数字电路接口，有较强的抗干扰能力，配备相应的流量积算仪器或流量巡检仪，可广泛应用于石油、化工、冶金、科研等领域的计量、检测和控制系统中，用来测量液体瞬时流量或总量。但是，各个厂家生产的涡轮流量传感器输出信号（电压幅度、频率范围和输出阻抗）不统一，即使是同一生产厂家的涡轮流量传感器，其输出信号也不统一，给用户在使用上带来困难。为此，我们设计了一种通用型多功能智能流量巡检仪。
系统工作原理与硬件设计系统采用Intel8032单片微控制器。8032的3个16位定时计数器设计为：T1工作在定时器方式，产生100ms的闸门时间；T0工作在计数方式，对涡轮流量传感器输出的流量脉冲信号计数；T2用作波特率发生器。外扩展8KB的EPROM2764，扩展二片可编程并行IO接口芯片8155：8155（1）用于静态显示输出；8155（2）用于流量状态报警及输出可用于控制的开关信号等。智能流量巡检仪硬件结构框图。多路（最多16路）涡轮流量传感器将采集到的流量脉冲信号送前置放大电路处理后，送多路电子开关CD4067（16选1），Intel8032从P1口的P1.0～P1.3输出CD4067的选路控制信号，经过光电耦合器隔离。被选定的某路流量脉冲信号由CD4067的OUT端输出，经过光电耦合器隔离，斯密特电路整形后送8032的T0端计数。用测频法测量出流量脉冲信号的频率，经过8032变换处理成实时流量值暂存于CPU内部RAM中。8032根据“巡检定点”功能键的状态作出处理：若系统处于自动巡回检测状态（简称巡检），由外接的涡轮流量传感器路数N（N=1～16），自动巡回从第1路到第16路显示路号和对应的流量值；若系统处于定点检测状态（简称定点），根据定点状态下设置的路号，自动显示路号和流量值。这里重点对前置放大电路、串行通信接口、人-机接口及软件的设计等进行讨论。
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