數控機床轉動系統的無速度傳感器的矢量控制分析

李華芳

摘要：傳統數控機床已經完成了向高速、高精、高效方向的變革，當前的主要研究內容就是加工誤差補償。對于數控機床來說，傳感器是測控系統的接口，負責感知、獲取和檢測信息。文章詳盡分析并研究了數控機床轉動系統的無速度傳感器的矢量控制。

關鍵詞：數控機床;轉動系統;傳感器;控制分析

中圖分類號：TQ016.5+3文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）07-0178-03

數控機床檢測系統的中樞結構為傳感器，傳感器的主要任務就是想我們傳遞各類信息，隨著科技的發展，傳感器已經成為人類開發和利用自然必不可少的部分。當前，大量的先進技術不斷的被應用到數控機床上，其中傳感器技術就是十分重要的技術之一。

1 數控機床傳感器

1.1溫度傳感器

溫度傳感器是數控機床傳感器中較為重要的一種，該傳感器主要負責感受溫度，然后將溫度信號轉換成為可以輸出的信號。作為溫度測量儀表的核心部分，溫度傳感器有很多種，如圖1所示。數控機床的正常運作需要大量的電氣元件以及電機的支持，電氣元件在運作過程中通常會產生大量的熱，如果溫度超過一定范圍，就會燒毀電氣元件。機床的正常運作離不開電機的轉動和移動，不管是轉動還是移動，都會有熱量的產生，也正是因為電機的轉動和移動使得溫度分布出現一定的不均勻性，繼而產生溫度差，數控機床在溫度的影響下就會發生變形，最終就會對零件加工的精度產生影響。為了解決這類問題，機床上都會設置溫度傳感器，其主要作用就是感應數控機床的溫度變化，然后將這種溫度差傳遞給控制系統，實現對機床溫度的監視和控制，為后續的監督和調整提供一定的便利。另外，溫度傳感器還需要設置在電器柜以及數控系統的內部，這些部位的溫度一旦超出一定范圍，立即發出報警，避免電氣元件燒毀。總之，在數控機床內部，溫度傳感器的作用不僅是感知溫度，還具有傳遞信息和報警的作用，其存在對數控機床起到了很好的保護作用。

1.2壓力傳感器

和溫度傳感器相似，壓力傳感器也是數控機床較為重要的組成部分，壓力傳感器的作用是將壓力信號轉換為電信號，根據工作原理的不同，壓力傳感器可以分為3種：電阻應變式傳感器、壓電式傳感器和壓阻式傳感器。在數控機床的內部，應用壓力傳感器監測工作夾緊力，并且和夾緊力的設定值進行對比，如果實際測得的工作夾緊力小于設定值，那么工件就會有松動的現象發生，系統立即發生警報，停止走刀;另外壓力傳感器還可以對刀切削力的變化進行檢測。壓力傳感器通常還會應用到氣壓系統、潤滑系統以及液壓系統中，主要用來檢測氣路中的壓力，并且和設定值相比較，如果氣路中的壓力小于設定值時，觸點就會發出動作，將信號傳遞給控制系統完成控制操作。

1.3光電傳感器

在數控機床中，還有一種較為常見的傳感器為光電傳感器通，這類傳感器的主要作用是感知光能量，常見的光能量有紫外線和紅外線，然后光電傳感器會將光能轉換為電信號。光電式傳感器具體的工作原理為：首先測量光感變化，然后將這種光感變化轉換為光信號，其內部的光電轉換元件會將光信號轉換為電信號。在日常生活中，如果有一束光照射到一個物體上的時候，我們可以看做是一種光能量，直接作用到這個物體上，而電子能量在光子能量的作用，其形態就會發生一定的變換，繼而產生了電效應，我們將這種常見的物理現象稱為光電效應。在日常生活的安全防護和檢驗領域，光電傳感器已經得到了廣泛的應用，而且這種技術已經越來越成熟，比如紅外線的隱蔽性經常被應用到銀行等場合，用作防盜警戒之用。另外，生活中常見的紅外線開關也是應用了物體對紅外線光束到的反射原理。

2 數控機床主軸變頻系統結構與運行模式

2.1主軸電機變頻調速原理

專家經過研究確定了主軸的電機轉速公式通過對公式進行分析可知，如果極對數保持不變，那么電源頻率隨著轉速的增加而增加。連續調整電源頻率，就會實現對電機速度的調整。相對來說，變頻器頻率調節范圍較寬，這也就代表著主軸電機轉動速度的條件范圍也較寬。提高轉速后，還應該考慮轉速對繞組和軸承的影響，限定高頻率，避免電機過熱出現磨損。在國內，交一直一交電壓型變頻器被廣泛的應用到變頻調速中，其主要的工作原理就是對轉換交流電為直流電，通過濾波、逆變，直流電會轉變為可輸出的三相交流電。

2.2主軸變頻系統構成

主軸變頻系統如圖2所示，如果將整個被加工件分為兩端，那么對于AB段來說，主軸速度一般為1000r/min;而BC段，在電機拖動的作用下，主軸的轉動速度會變為恒線速，在連續變化的轉速下，電機就實現了高精度切削。在本文介紹的數控系統中，速度信號首先會通過數控裝置，然后在經過變頻器模擬的給定通道，通過設置輸入信號和輸出信號，滿足數控機場各項操作要求。

3 無速度傳感器矢量控制變頻器

3.1主軸變頻器選型

在所有的主軸變頻器中，較為常見的，也是較為簡單的變頻器為標量控制，其實質為一種電壓發生裝置，主要負責調解調頻過程中的電壓變化。主軸變頻器較為常見的有2種：線性控制和平方控制。應用標量控制的過程中，因為低頻轉矩不夠，導致變頻器穩定性較差，因此，在實際超過過程中，標量控制已經逐漸被矢量控制所取代。矢量控制的工作原理是對一部電機定子電流矢量進行測定和控制，根據磁場方向控制轉矩電流和勵磁電流，最終實現對轉矩的有效控制。具體的過程其實是，分解定子電流矢量，將其分解為產生轉矩的電流分量和產生磁場的電流分量，然后分別對其進行控制，同時還需要對這兩個分量的相位和幅值進行控制。矢量控制其實質就是將交流電機等效為直流電機，然后分別對速度和磁場進行控制。解耦控制的具體過程就是控制轉子磁鏈，根據轉子磁通對定子電流進行分解，最終得到磁場和轉矩的分量，然后對其進行坐標轉換。和定量控制相比，矢量控制力矩大，一般更適用于保證力矩的場合，但是就目前國內來看，還不能對負載進行自動調整。控制應用更為廣泛，一般來說設備出廠時就會設置相應的默認參數，常見根據不同的負載設置不同的參數，一般來說，廠家設置的自定義參數可以應用到不同的操作場合。矢量控制具有以下特點：較好的控制特性、較廣的調速范圍，但是矢量變換較為復雜，實際控制效果很難達到理論分析結果。

3.2無速度傳感器矢量變頻器

在常規帶速度傳感器的傳動控制中常見無速度傳感器控制，該傳感器主要負責檢測定子電壓和電流，然后通過比對和估計，實現速度傳感器所具有的功能。無速度傳感器控制可以更為精準的獲取轉速信息，滿足高精度獲取信息的要求。無速度傳感器控制時，不需要應用檢測硬件，有效降低了檢測成本，提高了檢測的可靠性，另外，無速度傳感器的應用有效降低了系統的重量和體積，因此被廣泛的應用到數控系統中。提當前，國際上較為常見的無速度傳感器矢量變頻器品牌有西門子、LC等。這些產品普遍具有以下特點：①不僅具有參數自動識別能力，還具有手動輸入能力;②較強的過載能力;③低頻高輸出轉矩;④具有多種保護功能。

3.3電機參數辨識

電機常規參數有額定電流、極數、額定功率，另外定子電阻、空載電流以及互感抗也是常見的常規參數。參數辨識分有兩種：靜止辨識和旋轉辨識，其中靜止辨識中，變頻器的主要作用是測定轉子和定子的漏感抗和電阻，在旋轉辨識中，變頻器的主要作用是測定空載電流和互感抗.在設定辨識參數的過程中，必須充分注意以下內容：①如果旋轉辨識一旦出現過壓或者過電流，那么應該調整減速時間;②旋轉辨識只能存在在空載中;③進行辨識之前必須將正確的名牌參數輸入其中。

4 結語

隨著科技的發展，工件加工的精密度越來越高，社會對加床加工的精度要求也越來越高。作為機床來說，對其自身零部件的制作精度的難度也越來越大，機床結構誤差基本不會影響機床精度，因此，必須依靠溫度、壓力以及振動等產生的誤差對零件加工誤差進行彌補。為了實現這個目標，必須應用相應的感應器對壓力、溫度振動等進行精準的感應，然后通過動態測量，再利用誤差補償技術對機床零件加工的誤差進行實時補償。傳感器的主要工作是對機床誤差進行精準的監測和分析，然后分析誤差性質以及產生的規律，最終通過建模和補償實現零件加工的誤差補償。