数控机床主轴驱动系统的选用研究

1 主轴驱动系统概述

　　数控机床主轴驱动系统作为机床最核心的关键部件之一，其输出性能对数控机床的整体水平是至关重要的。主轴驱动远不同于一般工业驱动，它不但要求较高的速度精度、动态刚度，而且要求连续输出的高转矩能力和非常宽的恒功率运行范围。目前，各主要机床生产厂家和研究单位纷纷把目光投向交流主轴驱动系统。随着功率电子、计算机技术、控制理论、新材料和电机设计的进一步发展和完善，矢量控制交流电机主轴驱动系统的性能已达到甚至超过了直流主轴驱动系统。交流主轴驱动系统正在逐步取代直流系统。交流主轴驱动系统的逆变器一般基于矢量控制原理，采用正弦波宽调制方式（SPWM），功率器件采用ICBT。根据电机类型可分为感应电机主轴驱动系统、永磁无刷同步电机主轴驱动系统、以及开头磁阻电机主轴驱动系统。

2 各类交流主轴驱动系统的特性与选用

　　由于不同的机床要求不同的主轴输出性能（旋转速度，输出功率，动态刚度，振动等），因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。

　　2.1 感应电机交流主轴驱动系统

　　1）电机概述

　　感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个KW到几百KW，广泛地应用于各种数控机床上。

　　感应电机转子结构一般为笼型。由于笼型电机的结构简单，转动惯量低，并能于高温和高速的条件下长时间运行，其价格远低于同样速度和功率范围的直流电机，而功率和体积比却是直流电机的两倍，同时其起动电流不再受换向器的限制。

　　主轴电机定子绕组通常采用三个热传感器以防止过载。笼导条通常由银或铜做成，并尽量加宽转子糟长宽比以获得更高的效率，减少转子发热和获得更高的速度。

　　感应主轴电机基速以上的放展运动范围可以通过弱磁控制实现。其恒功率运动范围可达到1：5。如采用最新的绕组切换技术，其恒功率运动范围可达到1：14,，甚至更宽。目前，感应主轴电机最高转速可达100000r/min以上。

尽管感应主轴电机结构相对简单、可行。但其变频控制器价格却较高。而采用了磁场定向控制技术的变频器能提供连续的转矩/速度调节能力、较高的精度、运行可行性和较低的运行费用，因而在一定程度上抵消了整个系统的初始高价格。

　　2）控制策略

　　感应式主轴电机的控制无一例外地采用磁场定向技术。该技术又分为间接磁场定向和直接磁场定向两种实现方式，其中间接转子磁场定向控制技术由于较易实现而被广为应用。它能提供较高的控制品质，但这种技术过分依赖于电机的参数，当参数变化时，控制性能将严重下降，遗憾的是，在电机运行过程中，转子时间常数可以在400%的范围内变化，因此现代主轴控制器均采用辨识、估算和自整定技术对参数变化在线补偿。这项技术另一个难题是随着电机速度要求越来越高，在恒功率弱磁运行时，当转子磁场发生变化，而滑差增益无法动态补偿时，将引起磁通和转矩的振荡。近年来，随着自适应观测器和Deatt-beat观测器的应用以及微处理器性能的提高，直接磁场定向控制技术在主轴驱动中有取代间接磁场定向之势。

　　2.2 内装式主轴电机

　　简称电主轴，它取消了传统的皮带及齿轮传动，采用内装式VAC交流变频宽速电机和主轴联为一体的直接驱动，即所谓的“零传动”。可以实现更高的速度、精度、效率。结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪音低、响应快，易十实现主轴定位，是高速主轴的理想结构。但也需解决很多技术问题。一是主轴电机要功率大、体积小，既要有很宽的恒功率区，又要保持一定的输出扭矩;其次，电机也是一个很大的热源，必须研究减少电机发热和减少主轴单儿热变形的技术。

　　内装式主轴电机的使用范围是在对加土质量、精度和稳定的运转提出很高要求，并要求最短起动时间的场合。内装式主轴电机是近10几年出现的新技术。国外已广泛使用十数控机床上。例如，西门子公司生产的采用液体冷却交流笼式感应电机的IPH2型内装主轴电机(带套筒型)最大转速达到10000r/min，转矩达到750 N m，恒功率范围宽达1: 16。电主轴是数控机床实现高速、超高速加土的必然结构。

　　2.3 其它交流电机主轴驱动系统

　　1)永磁交流主轴驱动系统

　　永磁交流主轴电机分为正弦波驱动(PMSM)主轴电机和方波驱动无刷直流(BDCM)主轴电机。此类主轴电机以转子无铜耗、高效率和高功率/转矩密度著称。其低速运行时可获得更大的功率和转矩，因此在同步功妊时的伺服锁定运行和快速定向方}自}有较大的优势。一般永磁主轴电机功率在lOkW以下，速度低于8000r/min。但目前转速在20000~30000r/min之间，功率超过lOkW的主轴电机已在制造。永磁主轴电机在转子上不存在发热儿件，显著提高了电机效率，同日寸高性能钦铁硼材料的应用，使得永磁主轴电机在所有形式的交流主轴电机中具有最高的效率和最小的体积。PMSM和BDCM电机均可运行十高速范围。但弱磁范围受到一定限制，使速度不能很高。

　　在控制策略方面，PMSM电机的定子绕组经特殊绕制后将产生正弦反电势，当绕组通入正弦电流后，便可获得恒定的转矩。但是磁场定向必须借助十绝对转子位置编码器来实现。近年提出的无传感器控制为PMSM主轴电机高速运行提供了另一种选择。BDCM电机定子绕组则使电机产生梯形波反电势，但同样也需要转十位置传感器来实现定子电流焕向。无传感器运行对BDCM也可实现。

　　永磁交流主轴电机的控制难点主要在十如何拓展弱磁运行范围。PMSM主轴电机通常采用内装式结构，而在控制上通常以满足最大转矩弱磁为准则。BDCM主轴电机通常采用最优电流和最优PWM控制方式以抑制脉动转矩，提高电机效率。

　　2)开关磁阻型主轴驱动系统

　　开关磁阻电机(SRM)以其简单、坚固的机械构造、高速运行能力和体积小、重量轻、效率高等特性，近年来在土业界引起了少’一泛的兴趣，尤其是其优秀的高速度运行能力和价格优势，使其在10kW以下，调速范围至100000r/min的数控机床主轴驱动应用中，大有与感应式主轴电机一争高低之势。

　　开关磁阻电机定子极上绕有集中绕组，转子则既无绕组也无永磁体。SRM电机定转子的极数不同，广泛采用三相6/4结构。为获得最优平均转矩，气隙需要精确控制并使极弧与气隙之比在25~30之间。SRM主轴电机的结构通常与控制策略和功率变换器同日寸考虑，其三者间的牵制作用要比感应电机和永磁电机强。通过适当的角度位置控制，SRM可容易地获得1:3的恒功率运行范围。

　　在控制策略方面，当电机低十基速以下运行时，常采用电流斩波控制方式，以避免过大的电流和磁链值，取得恒转矩机械特性。同时为获得最佳效率和减少转矩谐波，SRM主轴驱动系统通常采用自适应控制、最优控制和预测控制技术来控制开头模式。而在基速以上的弱磁运行范围，SRM常采用角度位置控制方式，通过导通角B的调节，调节电机的转矩实现调速目的。SRM的主要不足在十低速时的高谐波转矩和高噪声。而SRM主轴电机主要运行十高速恒功率区域，因此影响并不明显。