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(duì)數(shù)控機(jī)床的整體水平是至關(guān)重要的篡呆。主軸驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)不同于一般工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽后，它不但要求較高的速度精度、動(dòng)態(tài)剛度摇龟，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)行范圍两胃。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)遮乾。隨著功率電子专肪、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論堪侯、新材料和電機(jī)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和完善嚎尤，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(guò)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)伍宦。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芽死，采用正弦波寬調(diào)制方式（SPWM），功率器件采用ICBT次洼。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)关贵、永磁無(wú)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)卖毁。

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)速度揖曾，輸出功率，動(dòng)態(tài)剛度亥啦，振動(dòng)等）炭剪，因此，主軸選用標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用需要是緊密相關(guān)的禁悠∧罴溃總的來(lái)說(shuō)，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撤筐。

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)的主流裙系，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)床上午伍。

感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一般為籠型眼膊。由于籠型電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單绪樊，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，并能于高溫和高速的條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行舆鸿，其價(jià)格遠(yuǎn)低于同樣速度和功率范圍的直流電機(jī)藐篡，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翰发。

主軸電機(jī)定子繞組通常采用三個(gè)熱傳感器以防止過(guò)載辑剿。籠導(dǎo)條通常由銀或銅做成吮骑，并盡量加寬轉(zhuǎn)子糟長(zhǎng)寬比以獲得更高的效率坚浩，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(guò)弱磁控制實(shí)現(xiàn)循头。其恒功率運(yùn)動(dòng)范圍可達(dá)到1：5绵估。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,卡骂，甚至更寬国裳。目前，感應(yīng)主軸電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)100000r/min以上全跨。

盡管感應(yīng)主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單缝左、可行。但其變頻控制器價(jià)格卻較高螟蒸。而采用了磁場(chǎng)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)能力盒使、較高的精度、運(yùn)行可行性和較低的運(yùn)行費(fèi)用七嫌，因而在一定程度上抵消了整個(gè)系統(tǒng)的初始高價(jià)格少办。

2）控制策略

感應(yīng)式主軸電機(jī)的控制無(wú)一例外地采用磁場(chǎng)定向技術(shù)。該技術(shù)又分為間接磁場(chǎng)定向和直接磁場(chǎng)定向兩種實(shí)現(xiàn)方式诵原，其中間接轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制技術(shù)由于較易實(shí)現(xiàn)而被廣為應(yīng)用英妓。它能提供較高的控制品質(zhì)，但這種技術(shù)過(guò)分依賴于電機(jī)的參數(shù)狠寒，當(dāng)參數(shù)變化時(shí)呈篱，控制性能將嚴(yán)重下降，遺憾的是伐狼，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中臣塑，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)岁十、估算和自整定技術(shù)對(duì)參數(shù)變化在線補(bǔ)償特干。這項(xiàng)技術(shù)另一個(gè)難題是隨著電機(jī)速度要求越來(lái)越高，在恒功率弱磁運(yùn)行時(shí)惦踩，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)發(fā)生變化涨剧，而滑差增益無(wú)法動(dòng)態(tài)補(bǔ)償時(shí)南砰，將引起磁通和轉(zhuǎn)矩的振蕩。近年來(lái)樊淑，隨著自適應(yīng)觀測(cè)器和Deatt-beat觀測(cè)器的應(yīng)用以及微處理器性能的提高涨拣，直接磁場(chǎng)定向控制技術(shù)在主軸驅(qū)動(dòng)中有取代間接磁場(chǎng)定向之勢(shì)。

2.2 內(nèi)裝式主軸電機(jī)

簡(jiǎn)稱電主軸铜缠，它取消了傳統(tǒng)的皮帶及齒輪傳動(dòng)它褪，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)”×莞啵可以實(shí)現(xiàn)更高的速度、精度、效率绒窑。結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕瓮恭、慣性小痢掠、振動(dòng)小、噪音低砖瞧、響應(yīng)快息堂，易十實(shí)現(xiàn)主軸定位，是高速主軸的理想結(jié)構(gòu)块促。但也需解決很多技術(shù)問(wèn)題荣堰。一是主軸電機(jī)要功率大、體積小竭翠，既要有很寬的恒功率區(qū)振坚，又要保持一定的輸出扭矩;其次，電機(jī)也是一個(gè)很大的熱源祠劣，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)秤淀。

內(nèi)裝式主軸電機(jī)的使用范圍是在對(duì)加土質(zhì)量、精度和穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)提出很高要求耗萝，并要求最短起動(dòng)時(shí)間的場(chǎng)合世荐。內(nèi)裝式主軸電機(jī)是近10幾年出現(xiàn)的新技術(shù)。國(guó)外已廣泛使用十?dāng)?shù)控機(jī)床上舆佩。例如介腻，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泌榕，恒功率范圍寬達(dá)1: 16酱滞。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)抢驴。

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(wú)刷直流(BDCM)主軸電機(jī)蛀篓。此類主軸電機(jī)以轉(zhuǎn)子無(wú)銅耗卢历、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)矩丸爵，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(shì)蜒秤。一般永磁主軸電機(jī)功率在lOkW以下，速度低于8000r/min亚斋。但目前轉(zhuǎn)速在20000~30000r/min之間作媚，功率超過(guò)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)熱兒件帅刊，顯著提高了電機(jī)效率纸泡，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赖瞒。PMSM和BDCM電機(jī)均可運(yùn)行十高速范圍女揭。但弱磁范圍受到一定限制，使速度不能很高栏饮。

在控制策略方面吧兔，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(shì)，當(dāng)繞組通入正弦電流后袍嬉，便可獲得恒定的轉(zhuǎn)矩境蔼。但是磁場(chǎng)定向必須借助十絕對(duì)轉(zhuǎn)子位置編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)。近年提出的無(wú)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伺通。BDCM電機(jī)定子繞組則使電機(jī)產(chǎn)生梯形波反電勢(shì)箍土，但同樣也需要轉(zhuǎn)十位置傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)定子電流煥向。無(wú)傳感器運(yùn)行對(duì)BDCM也可實(shí)現(xiàn)嫌隆。

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)行范圍逸讹。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)則宗瓢。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)矩徒妒，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(jiǎn)單旷厨、堅(jiān)固的機(jī)械構(gòu)造乘恩、高速運(yùn)行能力和體積小、重量輕腋意、效率高等特性容蕉，近年來(lái)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(shì)往软，使其在10kW以下亩当，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(zhēng)高低之勢(shì)哟蝉。

開關(guān)磁阻電機(jī)定子極上繞有集中繞組蜓耻，轉(zhuǎn)子則既無(wú)繞組也無(wú)永磁體茫舶。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)刹淌。為獲得最優(yōu)平均轉(zhuǎn)矩饶氏，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有勾，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)疹启。通過(guò)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)行范圍蔼卡。

在控制策略方面喊崖，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雇逞，以避免過(guò)大的電流和磁鏈值荤懂，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)矩諧波喝峦，SRM主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常采用自適應(yīng)控制势誊、最優(yōu)控制和預(yù)測(cè)控制技術(shù)來(lái)控制開頭模式。而在基速以上的弱磁運(yùn)行范圍姚垂，SRM常采用角度位置控制方式，通過(guò)導(dǎo)通角B的調(diào)節(jié)槽脑，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的障氛。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)域煌摊，因此影響并不明顯衫沽。

3 主軸電機(jī)選擇的參數(shù)計(jì)算

機(jī)床制造者在選購(gòu)電機(jī)時(shí)，擔(dān)心切削力不足资杆，往往選擇較高規(guī)格電機(jī)酒吠，增加了機(jī)床成本，也使體積增大课陪。應(yīng)計(jì)算其主要參數(shù)唇佳，選用合適規(guī)格電機(jī)。

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