交流调速指标优化策略

数控机床的主轴驱动系统主要用于主轴转速调节，目前常用的驱动形式主要有变频器调速和交流主轴驱动两类，前者多与国产普及型CNC系统配套，后者需要与全功能CNC系统配套。无论变频器或是交流主轴驱动器都属于新颖的交流调速装置，传统意义上的调速指标已不能全面反映调速系统的性能，因此，其性能指标与传统的直流调速系统有所不同。衡量交流调速系统技术性能的主要指标有调速范围、调速精度与速度响应性能三方面。

1.调速范围

调速范围是衡量系统速度调节能力的指标，它在一定程度上决定了机床的加工能力和范围，故需要满足数控机床设计对主轴性能的要求。

调速范围一般以系统在一定的负载下，实际可达到的最低转速与最高转速之比（如1∶100）或直接以最高转速与最低转速的比值（如D=100）表示。但是，对使用通用变频器调速的主轴驱动系统来说，确定调速范围时需要注意以下三点。

1）变频器参数中的频率控制范围不是实际可使用的调速范围。频率控制范围只是变频器本身的输出频率范围，在实际系统中还必须考虑电动机因素。一般而言，当变频器的输出频率小于一定值（如2Hz）时，电动机将无法输出正常运行所需的转矩，因此，变频器的实际调速范围要远小于频率控制范围。以三菱公司最先进的FR-A740系列变频器为例，其频率控制范围可达1∶40000（0.01～400Hz），但实际有效调速范围一般只有1∶200。

2）即使在调速范围内，变频器也不能保证额定转矩的输出。例如，对于采用V/f控制的变频器，实际只能在额定频率的点上才能输出额定转矩。

3）不同的生产厂家，对通用变频器调速范围内的输出转矩规定有所不同。例如，三菱公司一般将变频器能短时输出150%转矩的范围定义为调速范围；而安川公司则以连续输出转矩大于某一值的范围，作为变频器调速范围指标等。

2.调速精度

交流主轴调速系统的调速精度在开环与闭环控制时有不同的含义。使用变频器控制的开环系统的调速精度是指控制4极标准感应电动机、在额定负载下所产生的转速降与电动机额定转速之比，其性质和传统的静差率类似，计算式如下：

对于闭环调速的交流主轴调速系统，计算式中的“额定转速”应为电动机最高转速。调速精度与调速系统的结构密切相关，一般而言，在同样的控制方式下，采用闭环控制的调速精度是开环控制的1/10左右。

3.速度响应(www.xing528.com)

速度响应是衡量交流调速系统动态快速性的新增技术指标。速度响应是指负载惯量与电动机惯量相等的情况下，当速度指令以正弦波形式给定时，输出可以完全跟踪给定变化的正弦波指令频率值。速度响应有时也称频率响应，分别用rad/s或Hz两种不同的单位表示，转换关系为1Hz=2πrad/s。

速度响应是衡量交流调速系统的动态跟随性能的重要指标，也是不同形式的交流调速系统所存在的主要性能差距。表4.2-1是当前变频器、主轴驱动器和伺服驱动器普遍可达到的速度响应比较表。

表4.2-1 变频器、主轴驱动器与伺服驱动器的速度响应比较表

4.输出特性

变频器、交流主轴驱动器的性能有很大的差别。图4.2-1所示为国外某著名公司对变频器控制60Hz/4极标准感应电动机（V/f控制）、交流主轴驱动的输出特性实测结果。由图可见，通用变频器控制感应电动机的调速系统，只能在额定频率的点上才能输出100%转矩；采用交流主轴驱动时，在额定转速以下区域均可输出100%转矩。因此，当通用变频器用于恒转矩负载控制时，必须“降额”使用。

引起变频器低速输出转矩下降的一个重要原因是通用感应电动机只是依靠转子轴上的风机进行自通风冷却，无独立的冷却风机，随着转速的下降，其冷却能力将显著下降，导致了电动机工作电流的下降。为此，在通用感应电动机上安装独立的冷却风机是提高通用变频器低速输出转矩的有效措施。

图4.2-1 输出特性比较

此外，变频器和交流主轴驱动器的过载性能也有较大差别，通常而言，前者可以承受的短时过载能力为150%左右，后者则可在150%～200%过载的情况下较长时间工作。

使用变频器调速系统的机床，其主轴的设计要求不高，本书不再对此进行说明。