1 引言
隨著ic芯片功能的日益強大和高性能半導體功率模塊制造技術(shù)的提高，集成了cpu和lsi logic以及各種智能模塊的系統(tǒng)級芯片soc(system on a chip)技術(shù)得以發(fā)展，使得三相交流異步電機(鼠籠電機)的伺服技術(shù)開始應用于各類機電產(chǎn)品及設(shè)備中。
三相交流異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，運行可靠，免維護及無故障使用期長的優(yōu)點決定了其具有良好的市場需求和發(fā)展前景，因此三相交流異步電機的控制方法成為了未來伺服技術(shù)發(fā)展的方向之一。
近年來汽車工業(yè)在國內(nèi)的蓬勃興起使得各類專用(組合式)機床的需求不斷增加，其產(chǎn)品特點使得這些專用加工設(shè)備越來越多地采用伺服產(chǎn)品和技術(shù)來提高設(shè)備的性能和生產(chǎn)率。目前此類加工設(shè)備的現(xiàn)狀一般為:采用傳統(tǒng)的電液伺服設(shè)備加工精度較低、效率不高;工作環(huán)境適應能力不強以及設(shè)備維護比較繁瑣等等。采用全數(shù)字化交流伺服控制器，以上問題可以有效地得以解決。
2 兩軸過孔專用加工鉆床設(shè)計要求
(1) 本次設(shè)計的兩軸過孔專用加工鉆床屬于高效、高精密加工設(shè)備，對于進給滑臺的伺服系統(tǒng)的調(diào)速比要求為1:3000。
(2) 兩軸過孔專用加工鉆床加工過程要求電機能夠做到低速大轉(zhuǎn)矩且平穩(wěn)的輸出。
(3) 進給滑臺的機構(gòu)采用螺距為5mm的滾軸絲杠，位置控制精度要求:滑臺工作長度為2m，位置設(shè)定單位為 0.01mm，實現(xiàn)誤差為±0.005mm精確定位。
(4) 在符合加工要求的條件下，通過軟件編程設(shè)定合理動作的方式提高批量工件加工效率，設(shè)計要求為4分鐘加工2件。
(5) 由于加工設(shè)備所在地電網(wǎng)不穩(wěn)定，要求系統(tǒng)在電壓波動情況下依然能夠保證可靠穩(wěn)定運行。
(6) 解決原電液伺服系統(tǒng)存在的噪音、振動、漏油以及安裝和維護等存在的問題或缺憾。
3 時光全數(shù)字化交流伺服控制器的特點
3.1 全數(shù)字化
時光全數(shù)字化交流伺服控制器采用了時光科技有限公司自有知識產(chǎn)權(quán)的soc技術(shù)的全數(shù)字化控制系統(tǒng)，標準的伺服控制器可實現(xiàn)三相交流異步電機在0～250hz范圍內(nèi)的速率連續(xù)可調(diào)及精確定位功能(見圖1)。速率控制精度為0.01hz，位置控制精度最高可達增量式編碼器的±1個脈沖(以標準配置2500線pg計算，4倍頻后為10000個脈沖，折算為角度后控制精度最高為0.036°)。
圖1 時光伺服的位置控制曲線
3.2 可靠的調(diào)速及過載性能
時光全數(shù)字化交流伺服控制器與普通變頻器相比，其速度曲線為線性(見圖2)，保證了設(shè)備在加工過程中頻繁地起動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等各類動作時不出現(xiàn)速度波動。此外，時光伺服系統(tǒng)還具有極佳的過載特性:在電機的額定頻率(基頻，在我國為50hz)以下具有3倍額定轉(zhuǎn)矩的輸出，完全有別于普通變頻器的工作曲線。可以保證在加工過程中負載出現(xiàn)較大波動時設(shè)備依然可以平穩(wěn)運行。
圖2 時光伺服的速度曲線
3.3 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的獨立解耦控制
時光全數(shù)字化交流伺服控制器可完成三相異步電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的“解耦”控制。既可以實現(xiàn)速度保持恒定時對轉(zhuǎn)矩的任意增減, 也可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸出保持恒定情況下對轉(zhuǎn)速的任意設(shè)定。此次應用于兩軸過孔專用加工鉆床為保證工件的加工效率, 在滑臺工進速率僅為1r/min的過程中，同樣可實時改變輸出轉(zhuǎn)矩以保證加工過程的順利進行。
3.4 三相交流異步電機的選型
目前國內(nèi)三相交流異步電機制造技術(shù)已經(jīng)十分成熟，該類電機具有可靠性高、容量大(可以達到數(shù)百千瓦以上)、低速回轉(zhuǎn)平穩(wěn)、輸出轉(zhuǎn)矩大(無弱磁問題)以及加大電機極數(shù)以提高了電機的低速調(diào)速性能等特點，極大地豐富和擴展了伺服電機的使用領(lǐng)域。在應用中，用戶可根據(jù)實際需要選用專門設(shè)計的永磁同步伺服電機，也可以使用普通的三相異步電機(只需在電機出軸加裝編碼器)，拓寬了用戶的選擇范圍，尤其是后者則更適用于原有設(shè)備的改造。
4 應用
原設(shè)計的兩軸過孔專用加工鉆床采用電液伺服系統(tǒng)。在基本保持原有機械結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，使用三相異步伺服電機配合滾珠絲杠替代液壓推進裝置，伺服系統(tǒng)選用時光全數(shù)字化交流伺服控制器。整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 進給滑臺演示機構(gòu)
4.1 系統(tǒng)主要指標
(1) 可控軸數(shù):2軸;
(2) 加工方式:手動/自動;
(3) 最小設(shè)定單位:0.01mm;
(4) 行程范圍:0～2000mm;
(5) 快速移動速率:9000mm/min;
(6) 慢速移動速率:0.15mm/min;
(7) 輸入/輸出點:輸入16點(光電隔離);輸出13點(所有i/o點均由軟件控制)。
4.2 電機相關(guān)參數(shù)
(1) 功率:750w
(2) 額定工作電壓:340v
(3) 額定工作電流:2.10a
(4) 調(diào)速范圍:0.01～60hz
(5) 額定轉(zhuǎn)速:4極1800r/min
4.3 應用效果
(1) 時光科技有限公司此次提供的全數(shù)字化交流伺服控制器為1:5000的調(diào)速比，高于設(shè)計所要求的1:3000調(diào)速比，滿足兩軸過孔專用加工鉆床進給滑臺的速度控制比要求。
(2) 時光全數(shù)字化交流伺服控制器可控制三相異步電機任意轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的“解耦控制”，在電機基頻以下可以做到三倍電機額定轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)輸出。滿足低速大轉(zhuǎn)矩且平穩(wěn)輸出以及有負載波動的要求。
(3) 時光全數(shù)字化交流伺服控制器位置控制范圍為4字節(jié)編碼器脈沖數(shù)(按本次所選用的2500線增量式編碼器計算，滑臺工作長度可為2km，實際使用的滑臺工作長度為2m)，定位誤差為±0.002mm。滿足誤差小于±0.005mm的設(shè)計定位精度。
(4) 時光全數(shù)字化交流伺服控制器為用戶提供的qmcl語言(quick motion control language)可實現(xiàn)對電機的靈活動作控制。采用時光全數(shù)字化交流伺服控制器后兩軸過孔專用加工鉆床最終測試為3min10s加工2件，完全符合并超過了4min加工2件的設(shè)計要求，提高了生產(chǎn)率。
(5) 時光全數(shù)字化交流伺服控制器允許輸入電壓波動范圍為±10％，在此范圍內(nèi)均可保證系統(tǒng)的可靠運行，滿足低壓低速大轉(zhuǎn)矩輸出的設(shè)計要求。
(6) 由于取代了傳統(tǒng)的電液伺服系統(tǒng)，使原來存在的噪音、振動、漏油以及安裝和維護等問題得到徹底解決。
5 結(jié)束語
時光科技交流伺服控制系統(tǒng)在兩軸過孔專用加工鉆床中的成功應用，充分發(fā)揮了時光交流伺服系統(tǒng)的速度任意調(diào)節(jié)、低速大轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定輸出、定位精度高等特點，不僅使加工設(shè)備工作的精度和效率提高了，同時還減少了維修成本，加強了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，進而提高了該機床設(shè)備在市場上的競爭能力。
參考文獻
[1] 時光科技有限公司.400v級3.7～22kw ims系列伺服控制器使用說明書[z]. 2004.
[2] 時光科技有限公司. qmcl語言使用說明書[z]. 2004.
[3] 時光科技有限公司. qmcl參數(shù)使用說明書[z]. 2004.
作者簡介
張 建(1979-) 男 本科 從事電力電子、電機調(diào)速、系統(tǒng)集成等方面的研發(fā)工作，現(xiàn)任時光科技有限公司系統(tǒng)研發(fā)部系統(tǒng)工程師。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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