摘要：在BF一3000數控銑切機數控系統更新中，應用SIEMENS變頻器MICROMASTER 440實(shí)現機床的銑軸、鉆軸單獨工作及5個(gè)鉆軸同時(shí)工作的3種工作狀態(tài)的切換控制，并介紹了每種工作狀態(tài)的參數設置和調試方法。

　　關(guān)鍵詞：變頻器 改造 調速 多電動(dòng)機控制
　　
　　數控機床的改造并不是完全否定原有的控制過(guò)程及控制方法，而且在適當的條件下還需要增加某些功能。所以在實(shí)際的改造中，必須充分了解原機床和現在要使用的新系統及元件所能夠實(shí)現的加工功能及特性后，才能逐步完成需要的控制及加工功能。而此次改造中，原機床主軸轉速變頻控制部分的多數元件、線(xiàn)路都已老化，故障率極高，且已不能實(shí)現變速控制，因此要求更新原有主軸變頻控制部分。由于原主軸銑軸及5個(gè)鉆軸變頻電動(dòng)機能夠正常良好的運轉，所以要求使用原有交流變頻電動(dòng)機，以節省開(kāi)支。所以在主軸更新中，需要二者的參數及性能互相匹配，才能實(shí)現機床的原有銑軸和5個(gè)鉆軸的起停及轉速控制。

　　由于銑軸電動(dòng)機的最大輸出功率為10 kW，要求能夠單獨工作；而其他5個(gè)鉆軸中的每個(gè)電動(dòng)機最大輸出功率約為4 kW，要求5個(gè)鉆軸能夠同時(shí)起停并能進(jìn)行調速，峰值功率可達到20 kW；另要求每個(gè)鉆軸能夠單獨工作。而且銑軸和5個(gè)鉆軸的電動(dòng)機轉速及頻率范圍相差較大：銑軸電動(dòng)機工作頻率為50～250Hz，轉速2 910～14 870 r／rain；鉆軸電動(dòng)機的工作頻率為150—300 Hz，轉速8 580～17 600 r／min。所以如果要分別采用一個(gè)變頻器各自控制，雖然很容易實(shí)現這兩種工作狀態(tài)，但是需要購買(mǎi)6臺變頻器，價(jià)格比較昂貴且控制比較繁瑣而且占用空間較大。如果能夠采用一個(gè)變頻器分別用兩組參數來(lái)控制這6臺電動(dòng)機的起停及轉速的兩種組合工作狀態(tài)，在經(jīng)濟性和利用率上更加適合。由于西門(mén)子MICROMASTER 440系列變頻器能夠實(shí)現三組電動(dòng)機驅動(dòng)參數的切換，所以此次主軸部分采用一臺變頻器控制6臺變頻電動(dòng)機實(shí)現兩種加工工藝的控制要求。綜合考慮后確定采用一臺22kW變頻器來(lái)實(shí)現主軸部分銑軸與鉆軸的控制。

　　1 MICRoMASTER 440變頻器功能介紹

　　MICROMASTER 440是用于控制三相交流電動(dòng)機速度和轉矩的變頻器。該變頻器由微處理器控制，并采用具有現代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率輸出器件。因此，具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。采用脈沖頻率可選的專(zhuān)用脈寬調制技術(shù)，可使電動(dòng)機低噪聲運行。擁有全面而完善的保護功能，為變頻器和電動(dòng)機提供了良好的保護?？梢酝ㄟ^(guò)設置不同的參數實(shí)現不同的電動(dòng)機控制系統，所以在單獨傳動(dòng)系統和集成自動(dòng)化系統中應用較廣。

　　2 控制方案制定及實(shí)現

　　為滿(mǎn)足3種加工工藝的控制要求，主軸部分采用一臺22 kW變頻器控制6臺變頻電動(dòng)機實(shí)現主軸部分銑軸與鉆軸的組合控制。根據控制要求必須有以下3種互不影響的獨立工作狀態(tài)：

　?。?）銑軸電動(dòng)機能夠單獨起停并調速運行，此時(shí)要求變頻器在第一組參數的控制下工作：

　　工作頻率50～250 Hz

　　轉速范圍2 910～14 870 r／min

　　輸出功率2～10 kW（電動(dòng)機功率因數0．85）

　　輸出電壓90～380 V

　　峰值電流18．5 A

　?。?）5臺鉆軸電動(dòng)機同時(shí)起停并調速運行，此時(shí)要求變頻器在第二組參數的控制下工作：

　　工作頻率150—300 Hz

　　轉速范圍8 580～17 600 r／min

　　輸出功率5×1．9～5×4．04 kW（9．5～20．2 kW）

　　輸出電壓190～380 V（電動(dòng)機功率因數0．74）

　　峰值電流5×9．5 A（47．5 A）

　?。?）5臺鉆軸電動(dòng)機單獨起停并調速運行，此時(shí)要求變頻器在第三組參數的控制下工作：

　　工作頻率150～300 Hz

　　轉速范圍8 580～17 600 r／min

　　輸出功率1．9～4．04 kW

　　輸出電壓190～380 V（電動(dòng)機功率因數0．74）

　　峰值電流9．5 A

　　以上3種工作狀態(tài)在同一時(shí)刻只允許有一種運行，互不干擾，這樣才能保證變頻器的正常運行。這就要求要從外界通過(guò)變頻器的數字量輸入介入來(lái)控制兩種驅動(dòng)圖1兩種不同參數的電動(dòng)機切換電動(dòng)機參數的切換。在變頻器的運行或準備狀態(tài)階段利用一個(gè)或多個(gè)外部信號同時(shí)改變參數組，從而達到一臺變頻器控制兩臺及多臺電動(dòng)機，如圖1所示。

　　為滿(mǎn)足這樣的控制要求，必須要求變頻器有這樣的控制功能，而西門(mén)子變頻器MICROMASTER 440卻可以利用變址參數來(lái)完成該功能，而且控制方便。在這種情況下，就功能而論，參數應組合形成命令組／數據組并加變址。在使用變址時(shí)，幾個(gè)不同的電動(dòng)機相關(guān)設定可以存儲在每組參數中，可以用轉換數據組來(lái)激活（如在數據組間的切換）。

　　可應用到CDS命令數據組和DDS傳動(dòng)數據組。每個(gè)數據組有3種獨立設定。這些設定可用特定參數的變址來(lái)確定：

　　CDS1. CDS3

　　DDS1.DDS3

　　用于控制傳動(dòng)系統和輸入給定值的參數（連接器和開(kāi)關(guān)量連接器輸入）分配給命令數據組（CDS）?？刂泼詈徒o定值的信號源用BICO技術(shù)互連。傳動(dòng)數據組用BICO參數P0820和P0821來(lái)切換。激活的傳動(dòng)數據組顯示在參數r0051中。傳動(dòng)數據組可在“準備”狀態(tài)下切換，此項切換約需50 ms。如圖2所示。

　　3 變頻器的調試及運行

　　3．I 電動(dòng)機基本參數調試

　　由于變頻器的出廠(chǎng)默認設定電動(dòng)機參數值與現實(shí)中所使用的電動(dòng)機參數不匹配，沒(méi)有合適的參數設定。所以必須針對于原電動(dòng)機銘牌進(jìn)行電動(dòng)機的參數設定，包括電動(dòng)機數據辨識程序的V／f控制的快速調試的執行，都需要通過(guò)BOP操作面板來(lái)進(jìn)行。在快速調試開(kāi)始前，必須修改的數據包括：輸入電源頻率、輸入銘牌數據、命令／給定值源、最?。畲箢l率或斜坡上升／斜坡下降時(shí)間、閉環(huán)控制方式、電動(dòng)機數據辨識等。具體調試步驟如下（以銑軸電動(dòng)機為例，將它的參數輸入到in000中，完成第一組DDS輸入）：

　?。?）將訪(fǎng)問(wèn)級設置為專(zhuān)家級；PO003=3

　?。?）參數過(guò)濾設置為所有參數；PO004=0

　?。?）調試參數過(guò)濾設置為快速調試；P0010=1

　?。?）輸入電源頻率設置為50 Hz；POLO0=0

　?。?）變頻器應用設置為恒定轉矩；P0205=0

　?。?）電動(dòng)機類(lèi)型設置為異步電動(dòng)機；P0300=1

　?。?）電動(dòng)機額定電壓設置為380 V；P0304：380

　?。?）電動(dòng)機額定電流設置為18．5 A；P0305=18．5

　?。?）電動(dòng)機額定功率設置為10 kW；P0307=10

　?。?0）電動(dòng)機額定功率因數設置為0．85；P0308=0．85

　?。?1）電動(dòng)機額定頻率設置為250 Hz；P0310=250

　?。?2）電動(dòng)機額定轉速設置為14 870 r／min；P0311= 14 870

　?。?3）電動(dòng)機冷卻設置為自冷式；P0335=0

　?。?4）電動(dòng)機過(guò)載系數設置為150％；P0640=150

　?。?5）選擇命令源設置為端子；P0700=2

　?。?6）選擇頻率給定值設置為模擬輸入；PIO00=2

　?。?7）最小頻率；P1080=50
　　
　?。?8）最大頻率；P1082=250

　?。?9）控制方式設置為線(xiàn)性V／f（電壓／頻率）關(guān)系；P1300=0

　?。?0）選擇電動(dòng)機數據辨識為用參數變更；P1910=1

　　此時(shí)會(huì )出現報警A0541（電動(dòng)機數據辨識激活）產(chǎn)生，并用下一個(gè)電動(dòng)機啟動(dòng)命令來(lái)測量。

　?。?1）快速調試結束；P3900=1

　　此時(shí)面板上會(huì )出現顯示“busy”，表示控制數據（閉環(huán)控制）正在計算然后復制，和參數一起從RAM送人ROM。在快速調速完成以后，再顯示P3900。在此以后，由于P1910尚未儲存，所以不允許傳動(dòng)變頻器斷電。

　?。?2）快速調試結束，啟動(dòng)電動(dòng)機數據辨識用外部指令啟動(dòng)電動(dòng)機數據辨識程序（工廠(chǎng)設定DIN1）。此時(shí)電流流過(guò)電動(dòng)機，轉子自己定位。如電動(dòng)機數據辨識已完成，則數據從RAM復制到ROM，面板上再次顯示“busy”。當完成后，面板顯示的報警A0541（電動(dòng)機數據辨識激活）自動(dòng)消失，再顯示P3900。

　?。?3）結束快速調速／傳動(dòng)設定。在以上的調試中，因為這6臺電動(dòng)機為進(jìn)口電動(dòng)機，型號比較老，而且沒(méi)有明確的額定轉速、額定電壓及額定頻率，只是給定了范圍，所以在輸入電動(dòng)機銘牌上的數據時(shí)針對于變頻器的出廠(chǎng)默認設置的控制方式（采用的是線(xiàn)性電壓／頻率V／f關(guān)系），得出它是向下調速，應按照最大數據輸入。在電動(dòng)機數據輸入完后，可以根據外部定義的端子來(lái)啟動(dòng)和調速。

　　在5臺鉆軸電動(dòng)機總的參數輸人時(shí)，只須將它的電動(dòng)機參數輸入到in001中，即可完成第二組DDS輸入。依次類(lèi)推，在單個(gè)鉆軸電動(dòng)機參數輸入時(shí)，只須將它的電動(dòng)機參數輸入到in002中，即可完成第三組DDS輸入。

　　3．2 驅動(dòng)參數的切換設置

　　在三組參數輸入完后，需要進(jìn)行驅動(dòng)參數的切換設置。帶3種獨立狀態(tài)的電動(dòng)機組合相當于是帶3臺不同電動(dòng)機。所以，可以按照3臺電動(dòng)機來(lái)配置切換設置。具體參數設置，調試步驟如下：

　?。?）對銑軸電動(dòng)機驅動(dòng)參數與5個(gè)鉆軸電動(dòng)機的總參數的切換調試，首先，將I‘0820與DDS源連接起來(lái)，要求用變頻器的數字量輸入4，來(lái)實(shí)現DDS1到DDS2驅動(dòng)控制參數的切換。然后通過(guò)rO051參數可以監控，檢查是否切換到DDS2參數上。實(shí)際激活的傳動(dòng)數據組（DDS）顯示在參數r0051中。

　?。?）對5個(gè)鉆軸電動(dòng)機的總參數與單個(gè)鉆軸電動(dòng)機參數的切換調試，首先，將P0821與DDS源連接起來(lái)，要求用變頻器的數字量輸入5作為外界的切換輸入信號，來(lái)控制DDS2到DDS3參數的切換。將DIN5：P0706[0]設置為99，將P0821設置為722．4。然后同樣可以通過(guò)r0051參數可以監控，檢查是否切換到DDS3參數上。

　?。?）可以通過(guò)r0055．5和r0054．4的位狀態(tài)來(lái)檢查所在的驅動(dòng)參數組狀態(tài)。具體的狀態(tài)如圖3所示。

　　在控制指令的切換方面，同樣采用多組態(tài)的控制方法，但由于變頻器的外部模擬量輸入控制端子只有2個(gè)，所以單臺鉆軸的控制只能與5臺鉆軸的控制公用1個(gè)模擬量控制端子來(lái)實(shí)現控制，具體控制方法必須結合機床的PLC控制程序，使模擬量控制電位器來(lái)回切換來(lái)實(shí)現。

　　4 結語(yǔ)

　　此次改造中，由于機床加工工藝控制要求的特殊性，主軸部分的電動(dòng)機不僅要實(shí)現高轉速變速控制，而且要實(shí)現多臺不同功率電動(dòng)機混合多狀態(tài)的控制要求，在工作中較為少見(jiàn)。機床主軸轉速變頻控制部分由西門(mén)子MICROMASTER 440變頻器作調速器后，在實(shí)施的控制方法上更加簡(jiǎn)單方便，控制功能上更加完善，變頻器的利用率得到了很大的提高。為我們以后在多臺電動(dòng)機多工作狀態(tài)控制問(wèn)題的解決，提供了新的控制思路，從而可以方便快捷地實(shí)現更多的控制功能。

　　參考文獻

　　1 吳國經(jīng)．數控機床故障診斷與維修．北京：電子工業(yè)出版社，2004．

　　2 沈兵．數控機床與數控系統的維修技術(shù)實(shí)例．北京：機械工業(yè)出版社，2003．