1 引言
隨著ic芯片功能的日益強(qiáng)大和高性能半導(dǎo)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(jí)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(jī)(鼠籠電機(jī))的伺服技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于各類機(jī)電產(chǎn)品及設(shè)備中。

三相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，運(yùn)行可靠，免維護(hù)及無(wú)故障使用期長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)決定了其具有良好的市場(chǎng)需求和發(fā)展前景，因此三相交流異步電機(jī)的控制方法成為了未來(lái)伺服技術(shù)發(fā)展的方向之一。

近年來(lái)汽車工業(yè)在國(guó)內(nèi)的蓬勃興起使得各類專用(組合式)機(jī)床的需求不斷增加，其產(chǎn)品特點(diǎn)使得這些專用加工設(shè)備越來(lái)越多地采用伺服產(chǎn)品和技術(shù)來(lái)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(yīng)能力不強(qiáng)以及設(shè)備維護(hù)比較繁瑣等等。采用全數(shù)字化交流伺服控制器，以上問(wèn)題可以有效地得以解決。

2 兩軸過(guò)孔專用加工鉆床設(shè)計(jì)要求
(1) 本次設(shè)計(jì)的兩軸過(guò)孔專用加工鉆床屬于高效、高精密加工設(shè)備，對(duì)于進(jìn)給滑臺(tái)的伺服系統(tǒng)的調(diào)速比要求為1:3000。
(2) 兩軸過(guò)孔專用加工鉆床加工過(guò)程要求電機(jī)能夠做到低速大轉(zhuǎn)矩且平穩(wěn)的輸出。
(3) 進(jìn)給滑臺(tái)的機(jī)構(gòu)采用螺距為5mm的滾軸絲杠，位置控制精度要求:滑臺(tái)工作長(zhǎng)度為2m，位置設(shè)定單位為 0.01mm，實(shí)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(guò)軟件編程設(shè)定合理動(dòng)作的方式提高批量工件加工效率，設(shè)計(jì)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(dòng)情況下依然能夠保證可靠穩(wěn)定運(yùn)行。
(6) 解決原電液伺服系統(tǒng)存在的噪音、振動(dòng)、漏油以及安裝和維護(hù)等存在的問(wèn)題或缺憾。

3 時(shí)光全數(shù)字化交流伺服控制器的特點(diǎn)
3.1 全數(shù)字化
時(shí)光全數(shù)字化交流伺服控制器采用了時(shí)光科技有限公司自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的soc技術(shù)的全數(shù)字化控制系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的伺服控制器可實(shí)現(xiàn)三相交流異步電機(jī)在0～250hz范圍內(nèi)的速率連續(xù)可調(diào)及精確定位功能(見(jiàn)圖1)。速率控制精度為0.01hz，位置控制精度最高可達(dá)增量式編碼器的±1個(gè)脈沖(以標(biāo)準(zhǔn)配置2500線pg計(jì)算，4倍頻后為10000個(gè)脈沖，折算為角度后控制精度最高為0.036°)。

圖1 時(shí)光伺服的位置控制曲線

3.2 可靠的調(diào)速及過(guò)載性能
時(shí)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(jiàn)圖2)，保證了設(shè)備在加工過(guò)程中頻繁地起動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等各類動(dòng)作時(shí)不出現(xiàn)速度波動(dòng)。此外，時(shí)光伺服系統(tǒng)還具有極佳的過(guò)載特性:在電機(jī)的額定頻率(基頻，在我國(guó)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?？梢员ＷC在加工過(guò)程中負(fù)載出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)設(shè)備依然可以平穩(wěn)運(yùn)行。

圖2 時(shí)光伺服的速度曲線

3.3 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的獨(dú)立解耦控制
時(shí)光全數(shù)字化交流伺服控制器可完成三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的“解耦”控制。既可以實(shí)現(xiàn)速度保持恒定時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)矩的任意增減, 也可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸出保持恒定情況下對(duì)轉(zhuǎn)速的任意設(shè)定。此次應(yīng)用于兩軸過(guò)孔專用加工鉆床為保證工件的加工效率, 在滑臺(tái)工進(jìn)速率僅為1r/min的過(guò)程中，同樣可實(shí)時(shí)改變輸出轉(zhuǎn)矩以保證加工過(guò)程的順利進(jìn)行。

3.4 三相交流異步電機(jī)的選型
目前國(guó)內(nèi)三相交流異步電機(jī)制造技術(shù)已經(jīng)十分成熟，該類電機(jī)具有可靠性高、容量大(可以達(dá)到數(shù)百千瓦以上)、低速回轉(zhuǎn)平穩(wěn)、輸出轉(zhuǎn)矩大(無(wú)弱磁問(wèn)題)以及加大電機(jī)極數(shù)以提高了電機(jī)的低速調(diào)速性能等特點(diǎn)，極大地豐富和擴(kuò)展了伺服電機(jī)的使用領(lǐng)域。在應(yīng)用中，用戶可根據(jù)實(shí)際需要選用專門(mén)設(shè)計(jì)的永磁同步伺服電機(jī)，也可以使用普通的三相異步電機(jī)(只需在電機(jī)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(yīng)用
原設(shè)計(jì)的兩軸過(guò)孔專用加工鉆床采用電液伺服系統(tǒng)。在基本保持原有機(jī)械結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，使用三相異步伺服電機(jī)配合滾珠絲杠替代液壓推進(jìn)裝置，伺服系統(tǒng)選用時(shí)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(jìn)給滑臺(tái)演示機(jī)構(gòu)

4.1 系統(tǒng)主要指標(biāo)
(1) 可控軸數(shù):2軸;
(2) 加工方式:手動(dòng)/自動(dòng);
(3) 最小設(shè)定單位:0.01mm;
(4) 行程范圍:0～2000mm;
(5) 快速移動(dòng)速率:9000mm/min;
(6) 慢速移動(dòng)速率:0.15mm/min;
(7) 輸入/輸出點(diǎn):輸入16點(diǎn)(光電隔離);輸出13點(diǎn)(所有i/o點(diǎn)均由軟件控制)。
4.2 電機(jī)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(yīng)用效果
(1) 時(shí)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(jì)所要求的1:3000調(diào)速比，滿足兩軸過(guò)孔專用加工鉆床進(jìn)給滑臺(tái)的速度控制比要求。
(2) 時(shí)光全數(shù)字化交流伺服控制器可控制三相異步電機(jī)任意轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的“解耦控制”，在電機(jī)基頻以下可以做到三倍電機(jī)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(fù)載波動(dòng)的要求。
(3) 時(shí)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(jì)算，滑臺(tái)工作長(zhǎng)度可為2km，實(shí)際使用的滑臺(tái)工作長(zhǎng)度為2m)，定位誤差為±0.002mm。滿足誤差小于±0.005mm的設(shè)計(jì)定位精度。
(4) 時(shí)光全數(shù)字化交流伺服控制器為用戶提供的qmcl語(yǔ)言(quick motion control language)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的靈活動(dòng)作控制。采用時(shí)光全數(shù)字化交流伺服控制器后兩軸過(guò)孔專用加工鉆床最終測(cè)試為3min10s加工2件，完全符合并超過(guò)了4min加工2件的設(shè)計(jì)要求，提高了生產(chǎn)率。
(5) 時(shí)光全數(shù)字化交流伺服控制器允許輸入電壓波動(dòng)范圍為±10％，在此范圍內(nèi)均可保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，滿足低壓低速大轉(zhuǎn)矩輸出的設(shè)計(jì)要求。
(6) 由于取代了傳統(tǒng)的電液伺服系統(tǒng)，使原來(lái)存在的噪音、振動(dòng)、漏油以及安裝和維護(hù)等問(wèn)題得到徹底解決。

5 結(jié)束語(yǔ)
時(shí)光科技交流伺服控制系統(tǒng)在兩軸過(guò)孔專用加工鉆床中的成功應(yīng)用，充分發(fā)揮了時(shí)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(diǎn)，不僅使加工設(shè)備工作的精度和效率提高了，同時(shí)還減少了維修成本，加強(qiáng)了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)而提高了該機(jī)床設(shè)備在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力。

參考文獻(xiàn)
[1] 時(shí)光科技有限公司.400v級(jí)3.7～22kw ims系列伺服控制器使用說(shuō)明書(shū)[z]. 2004.
[2] 時(shí)光科技有限公司. qmcl語(yǔ)言使用說(shuō)明書(shū)[z]. 2004.
[3] 時(shí)光科技有限公司. qmcl參數(shù)使用說(shuō)明書(shū)[z]. 2004.

作者簡(jiǎn)介
張 建(1979-) 男 本科 從事電力電子、電機(jī)調(diào)速、系統(tǒng)集成等方面的研發(fā)工作，現(xiàn)任時(shí)光科技有限公司系統(tǒng)研發(fā)部系統(tǒng)工程師。