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摘要：本文介紹了艾默生CT新一代高性能EV6000變頻器在伺服電主軸上的調(diào)試及長期運(yùn)行情況。通過多個客戶為期超過半年的使用，它標(biāo)志著EV6000變頻器產(chǎn)品延續(xù)了EV1000，EV2000，產(chǎn)品極高的可靠性，簡單易用性，同時還提供了前所未有的高性能，能夠進(jìn)行原先伺服主軸驅(qū)動器的替代。

       EV6000 變頻器作為艾默生CT新一代高性能變頻器，采用先進(jìn)的控制策略實(shí)現(xiàn)了真正意義上的高精度磁通矢量轉(zhuǎn)矩控制，無論是有PG 運(yùn)行還是無PG 運(yùn)行，均達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先的控制水準(zhǔn)。同步電機(jī)驅(qū)動與異步電機(jī)驅(qū)動的一體化，轉(zhuǎn)矩控制、速度控制、位置控制的一體化，使得EV6000 成為業(yè)界少有的具有優(yōu)異控制性能的一體化驅(qū)動器，滿足客戶應(yīng)用的高性能化需求。電主軸是數(shù)控機(jī)床的重要部件，傳統(tǒng)機(jī)床主軸是通過傳動裝置帶動主軸旋轉(zhuǎn)而工作的。電主軸是電機(jī)內(nèi)裝式主軸單元的簡稱。其主要特點(diǎn)是將電機(jī)置于主軸內(nèi)部，通過驅(qū)動電源直接驅(qū)動主軸進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)、主軸的一體化功能，進(jìn)行切削加工。它具有結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械效率高，噪聲低，振動小，精度高，運(yùn)行平穩(wěn)，沒有沖擊的特點(diǎn)，能夠使主軸軸承壽命得到延長。通過EV6000機(jī)床專用版本內(nèi)置的機(jī)床專用功能，可以完成動態(tài)高精度同步跟蹤，分度，準(zhǔn)停，零速鎖定等功能。其優(yōu)異的性能，豐富的功能完全能夠滿足數(shù)控加工中心主軸控制的工藝和精度要求。

    交流伺服主軸驅(qū)動系統(tǒng)由主軸控制器、主軸驅(qū)動單元、主軸電動機(jī)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(huán)速度控制，但當(dāng)主軸準(zhǔn)停時則完成閉環(huán)位置控制。主軸驅(qū)動單元的位置控制與速度控制均由內(nèi)部的高速信號處理器及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其原理框圖如圖1所示。圖中CNC系統(tǒng)向主軸驅(qū)動單元發(fā)出速度指令或位置指令，驅(qū)動單元根據(jù)該指令執(zhí)行相應(yīng)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機(jī)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(jìn)行校正，當(dāng)然，此信號也用于系統(tǒng)過程偏差的檢測，如速度偏差過大等。

 

    為方便起見，我們以一實(shí)際的電主軸系統(tǒng)為例進(jìn)行描述。在該系統(tǒng)中，CNC控制器采用的是臺灣LNCT520i主軸控制器，驅(qū)動器使用EV6000高性能機(jī)床專用版本變頻器＋PGABS選件卡(帶分頻輸出的編碼器接口卡)，電機(jī)使用的是山東某廠家的JSZD150A-8/3C電動馬達(dá)，出場配置2048RPM差分增量式編碼器。整個系統(tǒng)接線框圖如圖2：

 

    LNCT520i主軸控制器通過PA+/PA-和PB+/PB-正交脈沖信號向EV6000發(fā)出速度和位置信號，同時也包含著方向信號。EV6000配置有PGABS編碼器選件卡，該卡既接收主軸控制器脈沖給定，又接收來自電機(jī)的編碼器反饋信號，同時對編碼器信號進(jìn)行分頻，反饋到主軸控制器。EV6000工作在伺服模式。系統(tǒng)的性能主要決定于驅(qū)動器和電機(jī)的性能。下面仔細(xì)介紹系統(tǒng)各個組件。

    （一）主軸電機(jī)：電機(jī)型號為JSZD150A-8/3C，內(nèi)置2048RPM, 5V差分編碼器。廠家給定的技術(shù)參數(shù)與曲線如下:

表一：電機(jī)廠家參數(shù)

 

 

       （二）EV6000變頻器＋PGABS測速卡

       EV60－PGABS 測速卡是EV6000 系列變頻器的選件，提供如下功能：1．編碼器接口PG1，支持差分ABZ、UVW 信號，作為速度或位置反饋。2．PG1 的脈沖分頻輸出，可用于速度或位置同步。3．脈沖指令接口PG2，可接收上一級裝置的脈沖指令，用于速度或位置同步。

信號	說明
PG1 輸入（CN1）	5V 差分編碼器輸入信號，最大輸入頻率為300K
PG1 分頻輸出（CN2）	5V 差分輸出信號，分頻系數(shù)由功能碼設(shè)定
PG2 輸入（CN2）	5V 差分脈沖指令輸入信號，最大輸入頻率300K

       其信號定義如下：

CN1：信號管腳定義                          CN2:信號管腳定義 

(外殼接屏蔽層)

整個系統(tǒng)的接線可參考圖2。EV6000變頻器本體只連接運(yùn)行信號和復(fù)位信號。

       無論是速度同步跟蹤還是零速鎖定，整個系統(tǒng)邏輯都非常簡單，只需要將在F13組功能碼里將EV6000設(shè)置為伺服模式，位置指令給定源選擇為擴(kuò)展PG給定即可。因此調(diào)試主要工作是根據(jù)電機(jī)的特性曲線來調(diào)整變頻器相關(guān)參數(shù)，以獲得驅(qū)動系統(tǒng)的最佳性能。為此，需要了解驅(qū)動器伺服模式的原理。

 

    在上述系統(tǒng)中，電機(jī)特性是整個系統(tǒng)性能保證的基礎(chǔ)。為達(dá)到最好的控制效果，需要對電機(jī)進(jìn)行參數(shù)辨識�？蓞⒖急硪缓蛨D3與圖4，在功能組F80里依次輸入電機(jī)額定功率，額定電壓，額定電流，額定頻率，額定轉(zhuǎn)速之后啟動電機(jī)旋轉(zhuǎn)自整定。因?yàn)橹鬏S電機(jī)基本都是特種電機(jī)，有時會發(fā)生自整定失敗，此事需要對額定電壓，額定頻率和額定轉(zhuǎn)速三個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直至整定通過。整定通過之后，不妨在全速范圍內(nèi)讓電機(jī)空載運(yùn)行，確保系統(tǒng)無振動，電機(jī)電流聲音正常。

    從圖5中，系統(tǒng)還有三個控制環(huán)路。最里面的是電流環(huán)，其次是速度環(huán)，最外是位置環(huán)。電機(jī)自整定通過后，主要的調(diào)試就是調(diào)整這三個參數(shù)的PI參數(shù)。首先是電流環(huán)，該參數(shù)一般采用變頻器默認(rèn)參數(shù)，在現(xiàn)場無檢測儀器的情況下，調(diào)整的依據(jù)可簡化如下：全速運(yùn)行，觀察電機(jī)有無振動或嘯叫，如有，則需調(diào)整，此種情況一般表明參數(shù)過強(qiáng)。進(jìn)行零速鎖定運(yùn)行，觀察鎖定動作是否干凈利索，鎖定是否有力，可以逐步增加電流環(huán)PI直至感覺電機(jī)軸明顯振動，此時適當(dāng)回調(diào)PI至一合適值，順便也可以觀察輸出電流是否穩(wěn)定。電流環(huán)參數(shù)位于F09組。接下來調(diào)整速度環(huán)，調(diào)整原理不進(jìn)行論述，可以觀察[F01.13]電機(jī)實(shí)測頻率是否穩(wěn)定，響應(yīng)是否足夠快。同時零速鎖定時鎖定力是否足夠大，不夠大則需調(diào)強(qiáng)PI。如下圖所示，為系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖。

 

    最后是調(diào)整位置環(huán)。位置環(huán)主要調(diào)整動態(tài)位置偏差，一般的數(shù)控中心都有位置超差告警。在出場參數(shù)的基礎(chǔ)上，一般需要強(qiáng)化位置環(huán)P參數(shù)。圖7是在一個正反轉(zhuǎn)過程中位置差的實(shí)際檢測結(jié)果�？梢钥闯稣麄�過程動態(tài)誤差不到25個脈沖（4倍頻后）。

 

    此外，影響性能可能需要調(diào)整的參數(shù)還包括[F09.01]載波頻率，[F63.08]PG信號濾波等。在這里我們給出上述應(yīng)用的參數(shù)設(shè)置。

功能碼	功能碼值	意義
F00.00	4	僅顯示與廠家設(shè)定值不同的參數(shù)組
F00.06	0001	異步電機(jī)帶矢量控制
F02.10	267	最大輸出頻率
F02.10	267	上限輸出頻率
F04.03	5	減速時間1
F05.00	1	端子控制
F05.21	1	能耗制動動作
F06.00	1	速度反饋選擇擴(kuò)展編碼器
F06.01	50	ASR1-P
F06.02	0.05	ASR1-I
F06.04	20	ASR2-P
F06.05	0.04	ASR2-I
F06.07	0.5	ASR1/2切換頻率
F09.03	600	ACR-P
F13.00	3	變頻器選擇伺服模式
F13.02	2	位置指令給定源選擇擴(kuò)展PG給定
F13.16	1200	位置環(huán)增益1
F13.17	400	位置環(huán)增益2
F13.18	2	位置環(huán)增益1/2切換依據(jù)選擇速度指令
F13.20	20	位置環(huán)增益切換轉(zhuǎn)速水平
F13.32	1	伺服停機(jī)方式選擇切換到速度控制減速停機(jī)
F80.00	3	電機(jī)額定功率
F80.01	350	異步電機(jī)額定電壓
F80.02	10	異步電機(jī)額定電流
F80.03	250	異步電機(jī)額定頻率
F80.04	7410	異步電機(jī)額定轉(zhuǎn)速
F80.05	0.84	異步電機(jī)功率因素
F80.06	2.66	異步電機(jī)定子電阻
F80.07	26.64	異步電機(jī)漏感抗
F80.08	2.24	異步電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻
F80.09	299.1	異步電機(jī)互感抗
F80.10	3.2	異步電機(jī)空載電流

     EV6000作為艾默生CT新一代平臺型變頻器產(chǎn)品，具備優(yōu)異的控制性能。我們會將客戶的實(shí)際需求和通用型產(chǎn)品結(jié)合起來，推出針對行業(yè)性的客戶專機(jī)，也會和大客戶緊密結(jié)合，推出一些定制產(chǎn)品，目前都已取得一定成效。就電主軸而言，變頻器內(nèi)置了專用的F13（伺服控制）、F33（主軸準(zhǔn)停）、F34（剛性攻絲）功能組，只需要進(jìn)行簡單的功能碼設(shè)置，就可以進(jìn)行高精度的速度跟蹤，零速鎖定，分度等功能，方便了用戶的使用，同時還可以進(jìn)行一些簡單的位置控制，動態(tài)位置精度可以控制的很好，可控制在4個脈沖之內(nèi)，穩(wěn)態(tài)位置精度可控制在一個脈沖之內(nèi)。