项目四 数控车床主轴开环矢量控制 主编 李方园

1. 《变频器控制技术》 项目四 数控车床主轴开环矢量控制主编 李方园

2. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.1 项目背景及要求 4.2 知识讲座（开环矢量控制与变频制动） 4.3 技能训练一（A700开环矢量调试） 4.4 技能训练二（主轴变频器制动电气连接） 4.5 项目设计方案

3. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 项目4 数控车床主轴的开环矢量控制 • 当前机械制造业发展的一个明显动向是：越来越广泛地应用数控技术，普通机械逐渐被高效率、高精度的数控机械所代替。数控车床的一个重要核心就是主轴变频控制，并要求调速范围要宽、低速时大转矩输出，这只有矢量控制才能符合要求。

4. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 数控车床主轴的开环矢量控制 • 开环矢量变频调速控制系统就是取消了变频调速系统的速度检测装置，通过建立一个感应电机的精确模型，间接计算法求出传动运行中电机的实际转速值作为转速的反馈信号。本项目将着重介绍电机参数的辨识及在数控车床主轴传动关控制中的应用 。

5. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 本项目的学习目标如下： • 知识目标：熟悉开环矢量控制下的感应电动机、变频器、控制系统的接线方法；了解变频器开环矢量控制的参数设置；掌握感应电动机在变频矢量控制下的输出特性。

6. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 本项目的学习目标如下： • 技能目标：能根据电气原理图连接数控装置与变频器；能进行变频器投入运转的参数设置，能对感应电动机进行参数辨识。

7. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 本项目的学习目标如下： • 职业素养目标：树立系统与部件的概念，掌握在制造业成为工业化象征的背景下变频器应该进一步适应数控技术才是工程应用的方向。

8. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.1 项目背景及要求 • 4.1.1 项目背景 • 在机械制造业中，用普通机床加工复杂的零部件或具有较高精确度的批量产品时，如车削内外圆柱面、圆锥面、环槽及成形回转表面，以及车削端面及各种常用的螺纹，常常需要熟练的技术工人手工操作来完成，这种效率低下的传统加工方式已无法满足现代制造业的需求。随着计算机技术的飞速发展，先进的数控车床应运而生，并逐渐成为主流的工具机床。

9. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.1 项目背景及要求 • 4.1.1 项目背景 • 数控车床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及其拖动、自动控制、检测等技术为一身的自动化设备。其中主轴运动是数控车床的一个重要内容，以完成切削任务，其动力约占整台车床的动力的70%～80%。

10. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 图4.1为数控车床和主轴电机控制示意图。 a)数控车床

11. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 图4.1为数控车床和主轴电机控制示意图。 b)主轴电机

12. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.1 项目背景及要求 • 4.1. 2 控制要求 • 在目前数控车床中，主轴控制装置通常是采用交流变频器来控制交流主轴电动机。为满足数控车床对主轴驱动的要求，必须有以下性能：

13. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.1 项目背景及要求 • 4.1. 2 控制要求 • A、宽调速范围，且速度稳定性能要高； • B、在断续负载下，电机的转速波动要小； • C、加减速时间短； • D、过载能力强； • E、噪声低、震动小、寿命长。

14. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.1 项目背景及要求 • 已知某系列数控车床主轴电机功率为2.2KW，其数控系统采用HNC-21系列控制器，请选择合适的变频器，并进行接线与调试。

15. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2 知识讲座：开环矢量控制与变频制动 • 4.2.1 变频器矢量控制原理 • 变频器的矢量控制是20世纪70年代开始迅速发展起来的一种新型控制思想，是以电机控制参数的实时解耦，来实现电机的转矩与磁通控制，以达到与直流电机一样的调速性能。异步电机矢量控制调速系统经过近几十年的发展，其控制方法已趋成熟。

16. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2 知识讲座：开环矢量控制与变频制动 • 4.2.1 变频器矢量控制原理 • 1. 基本原理 • 异步电动机的矢量控制是仿照直流电动机的控制方式，把定子电流的磁场分量和转矩分量解耦开来，分别加以控制，即将异步电动机的物理模型等效地变成类似于直流电动机的模式。

17. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2 知识讲座：开环矢量控制与变频制动 • 1. 基本原理 • 众所周知，交流电机三相对称的静止绕组 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦电流时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，以同步转速ω（即电流的角频率）顺着 A-B-C 的相序旋转。

18. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 物理模型 ： a) 三相交流绕组

19. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 物理模型 ： b) 二相交流绕组

20. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 c) 旋转的直流绕组 图4.2 交流电机绕组等效

21. 4.2.1 变频器矢量控制原理 旋转磁动势并不一定非要三相不可，除单相以外，二相、三相、四相……等任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制

22. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.1 变频器矢量控制原理 • 如图所示图4.2b中绘出了两相静止绕组α 和β，它们在空间互差90°，通以时间上互差90°的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势 F 。当图a和b的两个旋转磁动势大小和转速都相等时，即认为图4.12b的两相绕组与图4.2a的三相绕组等效。再看图4.2c中的两个匝数相等且互相垂直的绕组 M 和T，其中分别通以直流电流 iM 和iT，产生合成磁动势 F，其位置相对于绕组来说是固定的

23. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.1 变频器矢量控制原理 • 如果让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁动势 F 自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图4.2a 和图4.2b 中的磁动势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组都等效了。

24. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.1 变频器矢量控制原理 • 当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，M 和 T是两个通以直流而相互垂直的静止绕组。如果控制磁通的位置在M轴上，就和直流电机物理模型没有本质上的区别了。这时，绕组M相当于励磁绕组，T相当于伪静止的电枢绕组。

25. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.1 变频器矢量控制原理 • 由此可见，以产生同样的旋转磁动势为准则，图4.2a的三相交流绕组、图4.2b的两相交流绕组和图4.2c中整体旋转的直流绕组彼此等效。或者说，在三相坐标系下的 iA、iB 、iC，在两相坐标系下的 ia、ib和在旋转两相坐标系下的直流iM 、iT是等效的，它们能产生相同的旋转磁动势。

26. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.1 变频器矢量控制原理 • 有意思的是：就图4.2c 的M、T两个绕组而言，当观察者站在地面看上去，它们是与三相交流绕组等效的旋转直流绕组；如果跳到旋转着的铁心上看，它们就的的确确是一个直流电机模型了。这样，通过坐标系的变换，可以找到与交流三相绕组等效的直流电机模型。

27. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2 知识讲座：开环矢量控制与变频制动 • 2. 矢量控制框架与坐标变换 • 图4.3a)所示为矢量控制的基本框架，即将异步电动机按照等效直流电机模型进行控制。

28. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 矢量控制坐标变换如图： b) K/P变换

29. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.1 变频器矢量控制原理 • （1）3/2相变换和2/3相变换 • 在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组a、b之间的变换，称为三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称 3/2 相变换。反之，则称为2/3相变换。 • （2）2s/2r变换和2r/2s变换 • 从两相静止坐标系a、b到两相旋转坐标系 M、T变换称作两相—两相旋转变换，简称 2s/2r 变换，其中 s 表示静止，r 表示旋转。反之，则称为2r/2s变换。 • （3）K/P变换 • 令矢量 is 和M轴的夹角为q s，已知iM 和iT，求is和q s，就是直角坐标/极坐标变换，简称K/P变换（图4.3b）

30. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.1 变频器矢量控制原理 • 了解了坐标变换后，就可以理解矢量控制的主要步骤：要把三相静止坐标系上的电压方程、磁链方程和转矩方程都变换到两相旋转坐标系上来，可以先利用 3/2 相变换将方程式中定子和转子的电压、电流、磁链和转矩都变换到两相静止坐标系a、b上，然后再用旋转变换阵 C2s/2r（图4.3a中的VR），将这些变量变换到两相旋转坐标系 M和T上。

31. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.1 变频器矢量控制原理 • 因此，从图4.3中可以这样认为，在控制器后面引入的反旋转变换器VR-1与电机内部的旋转变换环节VR抵消，2/3变换器与电机内部的3/2变换环节抵消，如果再忽略变频器中可能产生的滞后，则图5-9中虚线框内的部分可以完全删去，剩下的就是直流调速系统了。

32. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 3. 转子磁场定向下的异步电机数学模型 4.2.1 变频器矢量控制原理 • 矢量控制就是通过坐标变换，实现定子侧控制量的解耦，该方法是分析异步电机数学模型，简化电磁关系，实现控制系统设计的有效手段。由于转子磁场定向旋转坐标系下异步电机数学模型意义明确、简化实用，常用于设计调速控制系统

33. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 1.在转子磁场定向矢量控制下，其电压矢量与电流矢量之间的方程矩阵形式如下所示：

34. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.1 变频器矢量控制原理 • Rs/Rr为定子/转子电阻；Ls/Lr为定子/转子电感；Lm为互感；w s1为角速度；p为微分因子。 • 显然，可以想象得出，异步电机参数对于矢量控制的重要性，因此在很多矢量控制变频器中都含有自动检测电机参数的程序，以防止用户输入电机参数不准确所带来的控制精度误差。

35. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.2 开环矢量控制方式 4.1 项目背景及要求 • 1、基本概念 • 在高性能的异步电动机矢量控制系统中，转速的闭环控制环节一般是必不可少的。通常，采用旋转编码器等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。

36. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.2 开环矢量控制方式 • 由于速度传感器的安装给系统带来一些缺陷：系统的成本大大增加；精度越高的编码器价格也越贵；编码器在电动机轴上的安装存在同心度的问题，安装不当将影响测速的精度；电动机轴上的体积增大，而且给电动机的维护带来一定困难，同时破坏了异步电动机的简单坚固的特点；在恶劣的环境下，编码器工作的精度易受环境的影响。

37. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.2 开环矢量控制方式 • 无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，降低了系统的成本；另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电动机与控制器的连线。因此，无速度传感器的矢量控制方式（又称开环矢量控制）在工程应用中变得非常必要。

38. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.2 开环矢量控制方式 • 开环矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了无速度传感器的矢量控制方式。

39. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.2 开环矢量控制方式 • 它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。

40. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.2 开环矢量控制方式 • 采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，因此需要在使用时准确地输入异步电动机的参数，并对拖动的电动机进行调谐整定，否则难以达到理想的控制效果

41. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.2 开环矢量控制方式 • 无速度传感器矢量控制方式的基本技术指标定义如下：速度控制精度±0.5％，速度控制范围1：100，转矩控制响应<200ms，起动转矩>150％/0.5Hz。其中起动转矩指标，根据不同品牌的变频器其性能有所高低，大致在150％～250％之间。如图4.4所示为安川G7的无速度传感器矢量控制方式下的起动转矩特性，在0.3Hz极低速下能达到150%以上的转矩。

42. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 4.2.2 开环矢量控制方式 图4.4 无速度传感器矢量控制方式起动转矩特性 有时为了描述上的方便，也把无速度传感器的矢量 控制方式称为开环矢量控制或无PG反馈矢量控制。

43. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 2、电动机参数的调谐整定 • 由于电动机磁通模型的建立必须依赖于电动机参数，因此选择无速度传感器矢量控制时，第一次运行前必须首先对电动机进行参数的调谐整定。目前新型矢量控制通用频器中已经具备异步电动机参数自动调谐、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行调谐后存储在相应的参数组中，并根据调谐结果调整控制算法中的有关数值。

44. 自动调谐（因在电动机旋转情况下进行，又称旋转式调谐）的步骤一般是这样的：首先在变频器参数中输入需要调谐的电动机的基本参数，包括电动机的类型（异步电动机或同步电动机）、电动机的额定功率（单位是KW）、电动机的额定电流（单位是A）、电动机的额定频率（单位是Hz）、电动机的额定转速（单位转/分）；然后将电动机与机械设备分开，电动机作为单体；接着用变频器的操作面板指令操作，变频器的控制程序就会一边根据内部预先设定的运行程序自动运转，一边测定一次电压和一次电流，然后计算出电动机的各项参数。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制

45. 在电动机与机械设备难以分开的场合却很不方便，此时可采用静止式调谐整定的方法，即将固定在任一相位、仅改变振幅而不产生旋转的三相交流电压施加于电动机上，电动机不旋转，由此时的电压、电流波形按电动机等值回路对各项参数进行运算，便能高精度测定控制上必需的电动机参数。在静止式调谐中，用原来方法无法测定的漏电流也能测定，控制性能进一步提高。利用静止式调谐技术，可对于机械设备组合一起的电动机自动调谐、自动测定控制上所需的各项常数，因而显著提高了通用变频器使用的方便性。在电动机与机械设备难以分开的场合却很不方便，此时可采用静止式调谐整定的方法，即将固定在任一相位、仅改变振幅而不产生旋转的三相交流电压施加于电动机上，电动机不旋转，由此时的电压、电流波形按电动机等值回路对各项参数进行运算，便能高精度测定控制上必需的电动机参数。在静止式调谐中，用原来方法无法测定的漏电流也能测定，控制性能进一步提高。利用静止式调谐技术，可对于机械设备组合一起的电动机自动调谐、自动测定控制上所需的各项常数，因而显著提高了通用变频器使用的方便性。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制

46. 从图4.5的异步电动机的T型等效电路表示中可以看出，电动机除了常规的参数如电动机极数、额定功率、额定电流外，还有R1（定子电阻）、X11（定子漏感抗）、R2（转子电阻）、X21（转子漏感抗）、Xm（互感抗）和I0（空载电流）。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制

47. 项目四 数控车床主轴开环矢量控制 图4.5 异步电动机稳态等效电路

48. 从上面已经知道，参数辨识分电动机静止辨识和旋转辨识2种，其中在静止辨识中，变频器能自动测量并计算定子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入；在旋转辨识中，变频器自动测量电动机的互感抗和空载电流从上面已经知道，参数辨识分电动机静止辨识和旋转辨识2种，其中在静止辨识中，变频器能自动测量并计算定子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入；在旋转辨识中，变频器自动测量电动机的互感抗和空载电流 项目四 数控车床主轴开环矢量控制

49. 在调谐整定过程中，必须注意以下几点： （1）调谐过程如果出现过流或过压故障，可适当调整价减速时间和转矩补偿数值，并取消故障自动复位功能。 （2）在起动调谐前应确保电动机处于停止状态，否则调谐不能正常进行。 （3）调谐前必须确保输入电动机的铭牌参数准确无误，否则调谐后的电动机参数不准确。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制

50. （4）不同品牌不同型号的变频器旋转调谐时从零速加速运行到的频率有些差异，有些是基本运行频率，有些则只有基本运行频率的50％或80％，具体可依据变频器的用户手册。（4）不同品牌不同型号的变频器旋转调谐时从零速加速运行到的频率有些差异，有些是基本运行频率，有些则只有基本运行频率的50％或80％，具体可依据变频器的用户手册。 （5）如果现场情况无法对电动机进行调谐的，可以参考同类电动机的已知参数手工输入，或者按照以下方式进行：先选择静止调谐，可依次计算出定子电阻、转子电阻和漏感抗3个参数，不测量电动机的互感抗和空载电流，用户可以根据电动机铭牌自行计算这两个参数，计算中用到的电动机铭牌参数有额定电压U、额定电流I、额定频率f和功率因数η，其中 项目四 数控车床主轴开环矢量控制