1 引言

隨著電子信息技術的發展，世界機床業已進入了以數字化制造技術為核心的機電一體化時代，其中數控機床就是代表產品之一。數控機床是制造業的加工母機和國民經濟的重要基礎。它為國民經濟各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經濟與社會效應。

主軸是數控機床構成中一個重要的部分，對于提高加工效率，擴大加工材料范圍，提升加工質量有著重要的作用。采用變頻器構造的主軸驅動系統可以實現無極調速，并具有調速范圍廣，結構簡單，節約成本等優勢，在機床上使用非常普遍。

海浦蒙特HD30系列變頻器以其優越的性能和高可靠性，在數控機床的應用方面取得了優異的效果。

2 數控機床主軸驅動的技術要求

數控機床主軸驅動是數控機床的重要組成部分，對于驅動系統具有以下技術要求：

可以實現快速加減速：通常數控機床的加減速時間要求比較短，一般在1~2s左右，因此對變頻器的動態性能要求較高。

需要在低速時具有強大過載能力：要求變頻器具有可靠的過載保護功能。

在低速時能夠提供足夠的轉矩輸出：根據數控機床的工作特點，一般要求主軸驅動系統在1~2Hz可以輸出150%額定轉矩。

穩速精度高：對于高速旋轉的主軸電機，速度波動過大將會影響工件的加工質量，因此對于驅動系統的速度穩定性要求很高。

接口方便：一般數控機床控制運行命令來自端子給定，頻率給定指令來自模擬量，因此要求變頻器有匹配的端子和模擬量接口。

3 HD30矢量控制變頻器簡介

HD30系列矢量控制通用變頻器是深圳市海浦蒙特科技有限公司研制的新一代矢量控制變頻器，具有低速轉矩能力強，控制精度高，超靜音運行控制。內置過程PID、可編程模擬量曲線、16段多段速運行，邏輯可編程輸入輸出端子，多頻率給定通道設計等特色功能，把通用需求和行業用戶的個性化需求有機地結合起來，提供了高集成的一體化解決方案。同時具有很強的電網和環境適應能力，可靠性高，操作簡單方便。

4 HD30矢量變頻器特點

HD30系列變頻器根據數控機床主軸驅動系統的技術需求，具有眾多針對性優點：

1． 具有可靠地過載保護能力，可以可靠輸出150%以上額定輸出電流超過2分鐘；

2． 0.5Hz時起動轉矩能夠達到180%以上，滿足機床主軸驅動低速大轉矩的需求；

3． 至少兩路標準的模擬量輸入接口（AI1電壓0~10V，AI2電壓/電流可選-10V~+10V/0~20mA DC），能夠與大多數數控系統接口兼容，通用性強；

4． 采用最新算法，使模擬量輸入具有高線性度和高精確度；

5． 輸出端子邏輯可編程。可以輸出如零速信號，運轉中信號，速度到達信號，故障指示等，滿足系統對于主軸速度狀態的監控；

6．55KW及其以下功率等級機型全部內置制動單元，無需再外配制動單元。

7．載波頻率范圍1~16kHz，有效的減小了主軸系統的嘯叫音；

8．標配RS485通訊接口，MODBUS通訊協議，附有專用PC機調試軟件；

9．在線識別電機參數，保證系統的穩定性和精確性；

10．電網電壓自適應控制，有效的避免了電壓波動帶來的干擾。

5 HD30矢量控制變頻器在機床主軸上的應用

本次應用的機床系統采用法納克數控系統，調試過程及效果如下。

5.1 調試過程

1）根據圖1進行配線；

2）根據電機銘牌設置電機參數；

3）斷開電機負載，利用點動（JOG）功能確定電機旋轉方向，并更改配線為正向旋轉；

4）進行電機參數自整定；

5）設置最大輸出頻率與上限頻率；

6）設置命令給定通道、頻率給通道；
7）設置加減速時間；

8）設置模擬量功能；

9）設置端子功能；

10）設置制動單元動作電壓；

11）取消過壓失速與自動限流功能。

5.2 最終參數設置
5.3 變頻器配線

變頻器配線如下圖所示：

圖1

其中DI1,DI2,DI3,DI4分別設定為FWD、REV、端子自由停機輸入、外部故障復位命令，AI1作為頻率給定通道。可編程繼電器常作為故障繼電器輸出給控制器。

5.4 調試效果

在機床空載（不加工零件時）條件下、實際運行轉速與設定目標轉速偏差不超過1 RPM。在機床加工零件時（實際轉矩相當于80%電機額定轉矩），切削動態瞬間轉速跌落，經過矢量控制速度環條件下，轉速迅速恢復到給定轉速附近；實測轉速偏差同樣不超過1 RPM。

5.5 調試注意事項

1．由于矢量控制的低頻力矩與穩速精度都要優于V/f控制，因此在機床主軸驅動時最好采用矢量控制。

2．由于矢量控制過程需要精確獲得電機參數，因此需準確輸入電機銘牌值，并進行電機參數自整定。

3．由于機床系統一般頻率指令由模擬量給定，而對于頻率指令的跟隨特性要求很高，因此建議在滿足抗擾性前提下，盡量減小模擬量輸入濾波時間，以滿足快速跟隨頻率指令的要求。

6 結語

HD30矢量控制變頻器已經成功應用在數控機床驅動控制領域，其優越的性能（低頻轉矩大，調速范圍寬，穩態精度高，加減速快，操作靈活方便，功能保護全）以及高可靠性得到了充分的驗證，完全滿足數控機床主軸控制。

參考文獻：

1．深圳市海浦蒙特科技有限公司 HD30系列矢量控制變頻器用戶手冊。

作者簡介：

第一作者：邱滿寧

寶雞市龍騰機械制造有限公司 機床事業部部門經理，中級技術職稱

第二作者：張寧

深圳市海浦蒙特科技有限公司 研究開發部工程師，中級技術職稱

2006年 哈爾濱工業大學電力電子及電力傳動專業碩士研究生畢業

2006年至今 從事變頻器研究開發工作

第三作者：王國鋒

深圳市海浦蒙特科技有限公司 研究開發部副總監，中級技術職稱

2000年 華中科技大學電力電子及電力傳動專業碩士研究生畢業

2000年至今 從事變頻器研究開發工作