1 主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述

　　數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為機(jī)床最核心的關(guān)鍵部件之一，其輸出性能對數(shù)控機(jī)床的整體水平是至關(guān)重要的。主軸驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)不同于一般工業(yè)驅(qū)動(dòng)，它不但要求較高的速度精度、動(dòng)態(tài)剛度，而且要求連續(xù)輸出的高轉(zhuǎn)矩能力和非常寬的恒功率運(yùn)行范圍。目前，各主要機(jī)床生產(chǎn)廠家和研究單位紛紛把目光投向交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。隨著功率電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論、新材料和電機(jī)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，矢量控制交流電機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能已達(dá)到甚至超過了直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正在逐步取代直流系統(tǒng)。交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的逆變器一般基于矢量控制原理，采用正弦波寬調(diào)制方式（SPWM），功率器件采用ICBT。根據(jù)電機(jī)類型可分為感應(yīng)電機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、永磁無刷同步電機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、以及開頭磁阻電機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2 各類交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特性與選用

　　由于不同的機(jī)床要求不同的主軸輸出性能（旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動(dòng)態(tài)剛度，振動(dòng)等），因此，主軸選用標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用需要是緊密相關(guān)的?？偟膩碚f，選擇主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將在價(jià)格與性能之間找出一種理想的折衷。

　　2.1 感應(yīng)電機(jī)交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　1）電機(jī)概述

　　感應(yīng)電機(jī)交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是當(dāng)前商用主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點(diǎn)幾個(gè)KW到幾百KW，廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床上。

　　感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一般為籠型。由于籠型電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，并能于高溫和高速的條件下長時(shí)間運(yùn)行，其價(jià)格遠(yuǎn)低于同樣速度和功率范圍的直流電機(jī)，而功率和體積比卻是直流電機(jī)的兩倍，同時(shí)其起動(dòng)電流不再受換向器的限制。

　　主軸電機(jī)定子繞組通常采用三個(gè)熱傳感器以防止過載?；\導(dǎo)條通常由銀或銅做成，并盡量加寬轉(zhuǎn)子糟長寬比以獲得更高的效率，減少轉(zhuǎn)子發(fā)熱和獲得更高的速度。

　　感應(yīng)主軸電機(jī)基速以上的放展運(yùn)動(dòng)范圍可以通過弱磁控制實(shí)現(xiàn)。其恒功率運(yùn)動(dòng)范圍可達(dá)到1：5。如采用最新的繞組切換技術(shù)，其恒功率運(yùn)動(dòng)范圍可達(dá)到1：14,，甚至更寬。目前，感應(yīng)主軸電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)100000r/min以上。

盡管感應(yīng)主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單、可行。但其變頻控制器價(jià)格卻較高。而采用了磁場定向控制技術(shù)的變頻器能提供連續(xù)的轉(zhuǎn)矩/速度調(diào)節(jié)能力、較高的精度、運(yùn)行可行性和較低的運(yùn)行費(fèi)用，因而在一定程度上抵消了整個(gè)系統(tǒng)的初始高價(jià)格。

　　2）控制策略

　　感應(yīng)式主軸電機(jī)的控制無一例外地采用磁場定向技術(shù)。該技術(shù)又分為間接磁場定向和直接磁場定向兩種實(shí)現(xiàn)方式，其中間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制技術(shù)由于較易實(shí)現(xiàn)而被廣為應(yīng)用。它能提供較高的控制品質(zhì)，但這種技術(shù)過分依賴于電機(jī)的參數(shù)，當(dāng)參數(shù)變化時(shí)，控制性能將嚴(yán)重下降，遺憾的是，在電機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)可以在400%的范圍內(nèi)變化，因此現(xiàn)代主軸控制器均采用辨識(shí)、估算和自整定技術(shù)對參數(shù)變化在線補(bǔ)償。這項(xiàng)技術(shù)另一個(gè)難題是隨著電機(jī)速度要求越來越高，在恒功率弱磁運(yùn)行時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場發(fā)生變化，而滑差增益無法動(dòng)態(tài)補(bǔ)償時(shí)，將引起磁通和轉(zhuǎn)矩的振蕩。近年來，隨著自適應(yīng)觀測器和Deatt-beat觀測器的應(yīng)用以及微處理器性能的提高，直接磁場定向控制技術(shù)在主軸驅(qū)動(dòng)中有取代間接磁場定向之勢。

　　2.2 內(nèi)裝式主軸電機(jī)

　　簡稱電主軸，它取消了傳統(tǒng)的皮帶及齒輪傳動(dòng)，采用內(nèi)裝式VAC交流變頻寬速電機(jī)和主軸聯(lián)為一體的直接驅(qū)動(dòng)，即所謂的零傳動(dòng)?？梢詫?shí)現(xiàn)更高的速度、精度、效率。結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動(dòng)小、噪音低、響應(yīng)快，易十實(shí)現(xiàn)主軸定位，是高速主軸的理想結(jié)構(gòu)。但也需解決很多技術(shù)問題。一是主軸電機(jī)要功率大、體積小，既要有很寬的恒功率區(qū)，又要保持一定的輸出扭矩;其次，電機(jī)也是一個(gè)很大的熱源，必須研究減少電機(jī)發(fā)熱和減少主軸單兒熱變形的技術(shù)。

　　內(nèi)裝式主軸電機(jī)的使用范圍是在對加土質(zhì)量、精度和穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)提出很高要求，并要求最短起動(dòng)時(shí)間的場合。內(nèi)裝式主軸電機(jī)是近10幾年出現(xiàn)的新技術(shù)。國外已廣泛使用十?dāng)?shù)控機(jī)床上。例如，西門子公司生產(chǎn)的采用液體冷卻交流籠式感應(yīng)電機(jī)的IPH2型內(nèi)裝主軸電機(jī)(帶套筒型)最大轉(zhuǎn)速達(dá)到10000r/min，轉(zhuǎn)矩達(dá)到750 N m，恒功率范圍寬達(dá)1: 16。電主軸是數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)高速、超高速加土的必然結(jié)構(gòu)。

　　2.3 其它交流電機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　1)永磁交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　永磁交流主軸電機(jī)分為正弦波驅(qū)動(dòng)(PMSM)主軸電機(jī)和方波驅(qū)動(dòng)無刷直流(BDCM)主軸電機(jī)。此類主軸電機(jī)以轉(zhuǎn)子無銅耗、高效率和高功率/轉(zhuǎn)矩密度著稱。其低速運(yùn)行時(shí)可獲得更大的功率和轉(zhuǎn)矩，因此在同步功妊時(shí)的伺服鎖定運(yùn)行和快速定向方}自}有較大的優(yōu)勢。一般永磁主軸電機(jī)功率在lOkW以下，速度低于8000r/min。但目前轉(zhuǎn)速在20000~30000r/min之間，功率超過lOkW的主軸電機(jī)已在制造。永磁主軸電機(jī)在轉(zhuǎn)子上不存在發(fā)熱兒件，顯著提高了電機(jī)效率，同日寸高性能欽鐵硼材料的應(yīng)用，使得永磁主軸電機(jī)在所有形式的交流主軸電機(jī)中具有最高的效率和最小的體積。PMSM和BDCM電機(jī)均可運(yùn)行十高速范圍。但弱磁范圍受到一定限制，使速度不能很高。

　　在控制策略方面，PMSM電機(jī)的定子繞組經(jīng)特殊繞制后將產(chǎn)生正弦反電勢，當(dāng)繞組通入正弦電流后，便可獲得恒定的轉(zhuǎn)矩。但是磁場定向必須借助十絕對轉(zhuǎn)子位置編碼器來實(shí)現(xiàn)。近年提出的無傳感器控制為PMSM主軸電機(jī)高速運(yùn)行提供了另一種選擇。BDCM電機(jī)定子繞組則使電機(jī)產(chǎn)生梯形波反電勢，但同樣也需要轉(zhuǎn)十位置傳感器來實(shí)現(xiàn)定子電流煥向。無傳感器運(yùn)行對BDCM也可實(shí)現(xiàn)。

　　永磁交流主軸電機(jī)的控制難點(diǎn)主要在十如何拓展弱磁運(yùn)行范圍。PMSM主軸電機(jī)通常采用內(nèi)裝式結(jié)構(gòu)，而在控制上通常以滿足最大轉(zhuǎn)矩弱磁為準(zhǔn)則。BDCM主軸電機(jī)通常采用最優(yōu)電流和最優(yōu)PWM控制方式以抑制脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)效率。

　　2)開關(guān)磁阻型主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)以其簡單、堅(jiān)固的機(jī)械構(gòu)造、高速運(yùn)行能力和體積小、重量輕、效率高等特性，近年來在土業(yè)界引起了少’一泛的興趣，尤其是其優(yōu)秀的高速度運(yùn)行能力和價(jià)格優(yōu)勢，使其在10kW以下，調(diào)速范圍至100000r/min的數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，大有與感應(yīng)式主軸電機(jī)一爭高低之勢。

　　開關(guān)磁阻電機(jī)定子極上繞有集中繞組，轉(zhuǎn)子則既無繞組也無永磁體。SRM電機(jī)定轉(zhuǎn)子的極數(shù)不同，廣泛采用三相6/4結(jié)構(gòu)。為獲得最優(yōu)平均轉(zhuǎn)矩，氣隙需要精確控制并使極弧與氣隙之比在25~30之間。SRM主軸電機(jī)的結(jié)構(gòu)通常與控制策略和功率變換器同日寸考慮，其三者間的牽制作用要比感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)強(qiáng)。通過適當(dāng)?shù)慕嵌任恢每刂疲琒RM可容易地獲得1:3的恒功率運(yùn)行范圍。

　　在控制策略方面，當(dāng)電機(jī)低十基速以下運(yùn)行時(shí)，常采用電流斬波控制方式，以避免過大的電流和磁鏈值，取得恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性。同時(shí)為獲得最佳效率和減少轉(zhuǎn)矩諧波，SRM主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常采用自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制和預(yù)測控制技術(shù)來控制開頭模式。而在基速以上的弱磁運(yùn)行范圍，SRM常采用角度位置控制方式，通過導(dǎo)通角B的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的。SRM的主要不足在十低速時(shí)的高諧波轉(zhuǎn)矩和高噪聲。而SRM主軸電機(jī)主要運(yùn)行十高速恒功率區(qū)域，因此影響并不明顯。