一种高性能的交流伺服系统
王 伟 (齐齐哈尔和平机器厂)
1概述
目前，我国数控机床行业应用普遍的仍是直流伺服系统，国外现在数控机床基本上都已使用了交流伺服系统，大大降低了伺服系统的故障率。
交流进给电机为三相永磁转子结构，采用高磁能积永磁材料，抗退磁能力强，重量轻，体积小(仅为同类型直流电机的一半)，有高的功率重量比。转动惯量小，动态响应快(20～40ms)，全封结构(IP64)，制造精度高，振动噪声小(52～70dB)，可以方便的正、反转，加、减速，几乎零转速到额定转速范围均可稳定调速，电机调速比高达1 s 10000。电机带温度监控自动保护元件，保证电机可靠运行。选用光电编码器与数控装置成组后，其****理论定位精度可达(1～2μm)。电机综合技术经济指标全优于直流电机。
电机由PWM晶体管脉宽调制变频控制，机箱结构紧凑，模块式设计，可采用延扩结构，最多可同时控制6个轴，保护功能齐全，无源的参数模块可适用于用户特定的参数设定，适用性强。
交流主轴电机为三相异步电动机，鼠笼型结构，坚固耐用，具有低的转动惯量。转矩、速度响应快。恒功率范围≥1：4。调速范围1：1000，****转速仍具有平滑的转动特性。防护等级高(IP54)。采用双轴承结构，电机运行稳，可承受较大径向力，电机带温度监控。流主轴电机驱动变频器是以微处理机为核心的处理系统，采用矢量控制和晶体管脉宽调制技术，且有自诊断、自保护、自动监控、事故自动复原等近代调速系统所必备的功能，具有再生制动功能，保证电机在4个象限可靠工作。
2交流主轴驱动系统
2．1交流主轴驱动系统的组成
交流主轴驱动系统由6SC50型晶体管脉宽调制变频器、1PH5和1PH6三相鼠笼式电机、轴编码器和反馈电缆等组成。
2．2交流主轴驱动原理
主轴电机是三相鼠笼式感应电动机，为了控制这种电机，引入了一种以磁场控制基础的新概念，过去对这种电机控制是基于非线性回路，而现在提出了线性关系，这就是西门子公司开发的’rRANSVEKTOR矢量控制系统。
为了获得一种与直流驱动装置相差无几的控制系统，我们需将电机的磁通分量和转矩分量取出来，这两个机械参数的分离是由微处理器中的计算模型实现。该计算模型用来产生指令信号，以便根据频率、相位和量级确定驱动参数，合成的定子电流矢量被分解为磁通矢量的真实分量和理想分量。真实分量代表形成磁通的电流，理想分量代表形成转矩的电流。
磁场保持着相当于基本转速的常量，该区域同恒定功率区相邻接，后者的特点是磁场以不同的梯度削弱。
这种电流矢量作为磁通矢量相位函数的方法(称为磁场定向)使我们能够分别控制转矩和磁通量，由此获得控制质量能同直流伺服的控制质量相当。
为了达到系统所要求的运算速度，我们采用两个16位微处理器(intel公司的80186)、电流和转速控制回路、以及数字式控制逻辑电路。
数字技术给操作带来了很大的方便，给调整带来了高度的可重复性，控制系统所要求的参数能****存储在一只EEPROM中。6SC650型变频器属交一直一交方式，即三相380V交流输入，经整流滤波后变成直流575V，再经由大功率晶体管块组成PWM逆变回路转换成电压、频率受控的交流输出，驱动交流主轴电机。
为了满足矢量运算的需要，在电机内部装有编码器(1024脉冲／r)作为转子位置测量和速度反馈元件，并能满足主轴定位准停功能所需的精度。若要求主轴作为进给轴参加插补运算。即C轴进给控制时，其电机上需装配18000脉冲／r的光电编码器。在电机的绕组中埋入了两个NTC热敏电阻，当电机过热时，控制系统可发出报警信号，甚至自动关断。
该系统还有过流、过压、超速、超矩、缺相、回馈逆变失效、大功率晶体管过热等保护功能。
主轴驱动系统控制电路有5个电路模块：
a．电源板——产生供控制模块的各种电压。
b．监控板——用于管理和监控，可发出超速、超矩等信号。
c．控制板——板上有2片16位微处理器80186，其中一片用于矢量计算，一片用于转矩和转速闭环控制以及故障诊断等。
d．接口板——接收键及插头端子上的输入信号，输出继电器、模拟及显示信号。
e．位置控制板——能实现主轴准停控制(不用NC控制)和C轴进给控制。
2．3交流主轴驱动的特点
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