龙门刨床是机械行业的主要工作母机之一 ,它主要用来加工各种大型机座及骨架 (如床身、箱体、导轨等 ) ,通过装有大型工件工作台 (刨台 )的往复运动来完成相应的刨、铣加工任务。刨台的往复运动是龙门刨床的主运动 ,它直接影响加工质量和工作效率。因此要求无级调速 ,自动稳速及在不同状态下切换合适的速度。龙门刨床的主拖动系统常采用G -M系统或V -M系统 ,前者费用高 ,体积大 ,设备多 ,效率低。后者尽管比前者有许多优点 ,但仍然要用直流电动机。为了改变这一状况 ,本文将在龙门刨床的主拖动系统中采用交流变频方案。由于调速范围大D =(1 0～ 3 0 ) ,且对转速的稳态和动态性能指标要求较高 ,故采取矢量控制变频调速。1 主拖动系统的总体结构主拖动系统由鼠笼型交流异步电动机、光电测速码盘、矢量变换控制线路、SPWM逆变器、转速调节器、电流调节器等组成 ,见图 1。图 1 主拖动系统总体结构本调速系统工作原理 :根据给定转速信号ω (由PLC的D/A模块输出 )和反馈转速信号ω相比较 ,转速调节器输出转矩电流给定值iT1 ,该给定值与实际三相电流经变换后的iT1 比较 ,由电流调节器输出电机T轴方向上的控制电压uT1 ,了配合弱磁升速 ,励磁电流给定iM1 ,由函数发生器确定 ,与经变换后的iM1 相比较 ,由磁链调节器输出磁场控制电压uM1 。由于iT1 ,uT1 ,iM1 ,uM1 均为旋转坐标下的等效直流量 ,根据矢量变换原理 ,须将其旋转变换为相应的交流量uα1 ,uβ2 ,再经 2 /3变换 ,得到三相交流输出ua ,ub ,uc ,经SPWM脉宽调制 ,得到SPWM信号 ,由驱动电路控制IGBT模块。IGBT模块将直流逆变为具有相应幅值和频率的三相SPWM交流电压 ,拖动三相鼠笼式异步电动机旋转 ,实现闭环调速、稳速 ,使该交流调速系统达到图 2所示性能优良的双闭环直流调速系统的效果。图 2 双闭环直流调速系统框图在该矢量控制系统中 ,除了静止旋转坐标变换 ,SPWM控制信号的形成等一些主要技术问题以外 ,如何生成θ (旋转坐标在静止坐标中的位置角 )也是一个较为关键的问题。考虑到成本和实现的方便性 ,本系统采用K Hasse提出的转差频率式矢量控制技术 ,即根据转差角频率ωs 与iT1 和iM1 之间的关系 :ωs=(1 +T2 P)iT1 T2 iM1先计算出ωs,再由θ =∫ (ω +ωs)dt计算θ。其中T2 =L2 /R2 为电动机转子回路的时间常数 ,P为微分算子 ,ω为光电码盘测算出的实际角速度。考虑到实际的iT1 和iM1 对于给定值iT1 和iM1 的响应较快 ,认为iT1 ≈iT1 ,iM1 ≈iM1 ,则ωs≈(1 +T2 P)iT1 T2 iM1 至于由θ得到sinθ和cosθ ,则可采用计算机查表的方法实现。2 主拖动调速系统控制部分的硬件考虑到控制的实时性和系统的经济性 ,本文用 80C1 96MC芯片来进行转速、电流信号的采集与处理、比较和PID运算、坐标旋转变换、二相 /三相变换、脉宽调制的产生、SPWM信号的相应运算以及故障处理等。 80C1 96MC是 1 6位高性能的微处理器 ,它自带A/D转换 ,其最大的优点在于该微处理器的P6口可直接输出 6位SPWM信号 ,为防止同一桥的两个功率元件直通短路 ,还设有互锁处理功能。整个硬件系统见图 3。 80C1 96MC的输出经专用的EXB840驱动芯片 ,控制IGBT ,输出三相SPWM交流电压。图 3 硬件系统框图3 主拖动系统控制部分的软件该系统的软件系统采用模块化结构 ,将一些功能编成子程序 ,固化在EPROM中 ,图 4为系统的主程序流程图。键盘输入设置参数用中断方式实现 ,计算cosθ、sinθ和Ψ采用查表方法。4 主拖动调速系统与机床其它部分的配合 除了主拖动系统驱动刨台做往复运动外 ,为了完成刨 (铣 )削 ,主运动还需与其它部件 (如刀图 4 系统主程序流程图架、横梁 )的运动相配合。这些部件的运动控制以前是采用继电接触器方式 ,现将其改为用PLC控制 ,这样有利于与调速系统的配合协调。刨台运动的速度梯形图由PLC中的指令产生 ,从PLC的D/A模块输出的按梯形图规律变化的模拟信号 ,作为主拖动调速系统的给定 ,使刨台按梯形图的规律做往复运动 ,这样可减少调速系统中80C1 96MC的运算量 ,以提高实时性。为了便于刀具和工件的调整 ,给定信号可由手动输入 ,手动和自动的切换由K1 实现 ,手动往复运动由K2 控制。整个龙门刨床的控制系统见图 5。图 5 控制系统图5 系统改造后的优点龙门刨床的调速系统及其接触继电控制系统经矢量控制变频技术和PLC技术改造后 ,大大地简化了系统 ,设备体积明显减小 ,随着IGBT模块价格的下降 ,成本将明显下降 ;由于采用了SPWM脉宽调制技术 ,使节能效果明显 ,且电动机的转矩特性贴近负载的机械特性 ,提高电动机的利用率 ;因为该调速系统性能接近双闭环直流调速系统 ,故无静差 ,且动态响应好 ,总体效果较为理想。用矢量变频技术改造龙门刨床工作台拖动系统@严隽高$苏州市职业大学!215011龙门刨床;;矢量变频;;调速龙门刨床刨台的无级调速一直由G -M系统和V -M系统来实现,本文采用矢量变频系统对原系统进行改造,使之兼有G -M系统和V -M系统的长处,同时具有直流电动机和鼠笼式异步电动机的优点,且节能、高效。
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