4.2.1变频器矢量控制原理

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1、项目四 数控车床主轴开环矢量控制主编 李方园变频器控制技术项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.1 项目背景及要求4.2 知识讲座（开环矢量控制与变频制动）4.3 技能训练一（A700开环矢量调试）4.4 技能训练二（主轴变频器制动电气连接）4.5 项目设计方案项目4 数控车床主轴的开环矢量控制数控车床主轴的开环矢量控制 当前机械制造业发展的一个明显动向是：越来越广泛地应用数控技术，普通机械逐渐被高效率、高精度的数控机械所代替。数控车床的一个重要核心就是主轴变频控制，并要求调速范围要宽、低速时大转矩输出，这只有矢量控制才能符合要求。项目四 数控车床主轴开环矢量控制数控车床主轴的开环矢量控制数控车

2、床主轴的开环矢量控制开环矢量变频调速控制系统就是取消了变频调速系统的速度检测装置，通过建立一个感应电机的精确模型，间接计算法求出传动运行中电机的实际转速值作为转速的反馈信号。本项目将着重介绍电机参数的辨识及在数控车床主轴传动关控制中的应用 。项目四 数控车床主轴开环矢量控制 本项目的学习目标如下本项目的学习目标如下：知识目标：知识目标：熟悉开环矢量控制下的感应电动机、变频器、控制系统的接线方法；了解变频器开环矢量控制的参数设置；掌握感应电动机在变频矢量控制下的输出特性。项目四 数控车床主轴开环矢量控制 本项目的学习目标如下本项目的学习目标如下：技能目标：技能目标：能根据电气原理图连接数控装置与

3、变频器；能进行变频器投入运转的参数设置，能对感应电动机进行参数辨识。项目四 数控车床主轴开环矢量控制 本项目的学习目标如下本项目的学习目标如下：职业素养目标：职业素养目标：树立系统与部件的概念，掌握在制造业成为工业化象征的背景下变频器应该进一步适应数控技术才是工程应用的方向。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.1 项目背景及要求项目背景及要求 4.1.1项目背景项目背景在机械制造业中，用普通机床加工复杂的零部件或具有较高精确度的批量产品时，如车削内外圆柱面、圆锥面、环槽及成形回转表面，以及车削端面及各种常用的螺纹，常常需要熟练的技术工人手工操作来完成，这种效率低下的传统加工方式已无法满足现代制

4、造业的需求。随着计算机技术的飞速发展，先进的数控车床应运而生，并逐渐成为主流的工具机床。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.1 项目背景及要求项目背景及要求4.1.1 项目背景项目背景数控车床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及其拖动、自动控制、检测等技术为一身的自动化设备。其中主轴运动是数控车床的一个重要内容，以完成切削任务，其动力约占整台车床的动力的70%80%。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制图为数控车床和主轴电机控制示意图。图为数控车床和主轴电机控制示意图。a)数控车床数控车床项目四 数控车床主轴开环矢量控制图为数控车床和主轴电机控制示意图。图为数控车床和主轴电机控制示

5、意图。b)主轴电机主轴电机项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.1 项目背景及要求项目背景及要求 4.1. 2 控制要求控制要求在目前数控车床中，主轴控制装置通常是采用交流变频器来控制交流主轴电动机。为满足数控车床对主轴驱动的要求，必须有以下性能：项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.1 项目背景及要求项目背景及要求4.1. 2 控制要求控制要求A、宽调速范围，且速度稳定性能要高；B、在断续负载下，电机的转速波动要小； C、加减速时间短； D、过载能力强； E、噪声低、震动小、寿命长。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.1 项目背景及要求项目背景及要求已知某系列数控车床主轴电机功率为，其数控系统

6、采用HNC-21系列控制器，请选择合适的变频器，并进行接线与调试。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2知识讲座：开环矢量控制与变频制动知识讲座：开环矢量控制与变频制动 4.2.1变频器矢量控制原理变频器矢量控制原理变频器的矢量控制是20世纪70年代开始迅速发展起来的一种新型控制思想，是以电机控制参数的实时解耦，来实现电机的转矩与磁通控制，以达到与直流电机一样的调速性能。异步电机矢量控制调速系统经过近几十年的发展，其控制方法已趋成熟。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2知识讲座：开环矢量控制与变频制动知识讲座：开环矢量控制与变频制动4.2.1变频器矢量控制原理变频器矢量控制原理1. 基本原

7、理基本原理异步电动机的矢量控制是仿照直流电动机的控制方式，把定子电流的磁场分量和转矩分量解耦开来，分别加以控制，即将异步电动机的物理模型等效地变成类似于直流电动机的模式。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2知识讲座：开环矢量控制与变频制动知识讲座：开环矢量控制与变频制动1. 基本原理基本原理众所周知，交流电机三相对称的静止绕组 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦电流时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，以同步转速（即电流的角频率）顺着 A-B-C 的相序旋转。项目四 数控车床主轴开环矢量控制a) 三相交流绕组三相交流绕组物理模型物理模型 ：项目四 数控车床主轴开环矢量控

8、制物理模型物理模型 ：b) 二相交流绕组二相交流绕组项目四 数控车床主轴开环矢量控制c) 旋转的直流绕组旋转的直流绕组图图4.2 交流电机绕组等效交流电机绕组等效项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.1变频器矢量控制原理变频器矢量控制原理旋转磁动势并不一定非要三相不可，除单相以外，二相、三相、四相等任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.1变频器矢量控制原理变频器矢量控制原理如图所示图中绘出了两相静止绕组 和，它们在空间互差90，通以时间上互差90的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势 F 。当图a和b的两个旋转磁

9、动势大小和转速都相等时，即认为图的两相绕组与图的三相绕组等效。再看图中的两个匝数相等且互相垂直的绕组 M 和T，其中分别通以直流电流 iM 和iT，产生合成磁动势 F，其位置相对于绕组来说是固定的 项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.1变频器矢量控制原理变频器矢量控制原理如果让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁动势 F 自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图4.2a 和图4.2b 中的磁动势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组都等效了。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.1变频器矢量控制原理变频器矢量控制原理当观察者

10、也站到铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，M 和 T是两个通以直流而相互垂直的静止绕组。如果控制磁通的位置在M轴上，就和直流电机物理模型没有本质上的区别了。这时，绕组M相当于励磁绕组，T相当于伪静止的电枢绕组。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.1变频器矢量控制原理变频器矢量控制原理由此可见，以产生同样的旋转磁动势为准则，图的三相交流绕组、图的两相交流绕组和图中整体旋转的直流绕组彼此等效。或者说，在三相坐标系下的 iA、iB 、iC，在两相坐标系下的 ia、ib和在旋转两相坐标系下的直流iM 、iT是等效的，它们能产生相同的旋转磁动势。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.1变频器矢量控

11、制原理变频器矢量控制原理有意思的是：就图4.2c 的M、T两个绕组而言，当观察者站在地面看上去，它们是与三相交流绕组等效的旋转直流绕组；如果跳到旋转着的铁心上看，它们就的的确确是一个直流电机模型了。这样，通过坐标系的变换，可以找到与交流三相绕组等效的直流电机模型。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2知识讲座：开环矢量控制与变频制动知识讲座：开环矢量控制与变频制动 2. 2. 矢量控制框架与坐标变换矢量控制框架与坐标变换图4.3a)所示为矢量控制的基本框架，即将异步电动机按照等效直流电机模型进行控制。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制矢量控制坐标变换如图：b) K/P变换变换项目四 数控车床主

12、轴开环矢量控制4.2.1变频器矢量控制原理变频器矢量控制原理（1）3/2相变换和相变换和2/3相变换相变换在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组a、b之间的变换，称为三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称 3/2 相变换。反之，则称为2/3相变换。（2）2s/2r变换和变换和2r/2s变换变换从两相静止坐标系a、b到两相旋转坐标系 M、T变换称作两相两相旋转变换，简称 2s/2r 变换，其中 s 表示静止，r 表示旋转。反之，则称为2r/2s变换。（3）K/P变换变换令矢量 is 和M轴的夹角为q s，已知iM 和iT，求is和q s，就是直角坐标/极坐标变换，简称K/P变换（图） 项目

13、四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.1变频器矢量控制原理变频器矢量控制原理了解了坐标变换后，就可以理解矢量控制的主要步骤：要把三相静止坐标系上的电压方程、磁链方程和转矩方程都变换到两相旋转坐标系上来，可以先利用 3/2 相变换将方程式中定子和转子的电压、电流、磁链和转矩都变换到两相静止坐标系a、b上，然后再用旋转变换阵 C2s/2r（图中的VR），将这些变量变换到两相旋转坐标系 M和T上。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.1变频器矢量控制原理变频器矢量控制原理因此，从图中可以这样认为，在控制器后面引入的反旋转变换器VR-1与电机内部的旋转变换环节VR抵消，2/3变换器与电机内部的3/2变

14、换环节抵消，如果再忽略变频器中可能产生的滞后，则图5-9中虚线框内的部分可以完全删去，剩下的就是直流调速系统了。项目四 数控车床主轴开环矢量控制3. 转子磁场定向下的异步电机数学模型转子磁场定向下的异步电机数学模型 矢量控制就是通过坐标变换，实现定子侧控制量的解耦，该方法是分析异步电机数学模型，简化电磁关系，实现控制系统设计的有效手段。由于转子磁场定向旋转坐标系下异步电机数学模型意义明确、简化实用，常用于设计调速控制系统 4.2.1变频器矢量控制原理变频器矢量控制原理项目四 数控车床主轴开环矢量控制1.在转子磁场定向矢量控制下，其电压矢量与电流在转子磁场定向矢量控制下，其电压矢量与电流矢量之间

15、的方程矩阵形式如下所示：矢量之间的方程矩阵形式如下所示： 项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.1变频器矢量控制原理变频器矢量控制原理Rs/Rr为定子/转子电阻；Ls/Lr为定子/转子电感；Lm为互感；w s1为角速度；p为微分因子。显然，可以想象得出，异步电机参数对于矢量控制的重要性，因此在很多矢量控制变频器中都含有自动检测电机参数的程序，以防止用户输入电机参数不准确所带来的控制精度误差。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.2开环矢量控制方式开环矢量控制方式 1、基本概念、基本概念在高性能的异步电动机矢量控制系统中，转速的闭环控制环节一般是必不可少的。通常，采用旋转编码器等速度传感器来

16、进行转速检测，并反馈转速信号。 4.1 项目背景及要求项目背景及要求项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.2开环矢量控制方式开环矢量控制方式由于速度传感器的安装给系统带来一些缺陷：系统的成本大大增加；精度越高的编码器价格也越贵；编码器在电动机轴上的安装存在同心度的问题，安装不当将影响测速的精度；电动机轴上的体积增大，而且给电动机的维护带来一定困难，同时破坏了异步电动机的简单坚固的特点；在恶劣的环境下，编码器工作的精度易受环境的影响。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.2开环矢量控制方式开环矢量控制方式无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性

17、，降低了系统的成本；另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电动机与控制器的连线。因此，无速度传感器的矢量控制方式（又称开环矢量控制）在工程应用中变得非常必要。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.2开环矢量控制方式开环矢量控制方式开环矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了无速度传感器的矢量控制方式。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.2开环矢量控制方式开环矢

18、量控制方式它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.2开环矢量控制方式开环矢量控制方式采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，因此需要在使用时准确地输入异步电动机的参数，并对拖动的电动机进行调谐整定，否则难以达到理想的控制效果 项目四

19、数控车床主轴开环矢量控制4.2.2开环矢量控制方式开环矢量控制方式无速度传感器矢量控制方式的基本技术指标定义如下：速度控制精度，速度控制范围1：100，转矩控制响应150。其中起动转矩指标，根据不同品牌的变频器其性能有所高低，大致在150250之间。如图所示为安川G7的无速度传感器矢量控制方式下的起动转矩特性，在极低速下能达到150%以上的转矩。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.2开环矢量控制方式开环矢量控制方式图图4.4 无速度传感器矢量控制方式起动转矩特性无速度传感器矢量控制方式起动转矩特性有时为了描述上的方便，也把无速度传感器的矢量有时为了描述上的方便，也把无速度传感器的矢量 控制

20、控制方式称为开环矢量控制或无方式称为开环矢量控制或无PG反馈矢量控制。反馈矢量控制。项目四 数控车床主轴开环矢量控制2、电动机参数的调谐整定、电动机参数的调谐整定由于电动机磁通模型的建立必须依赖于电动机参数，因此选择无速度传感器矢量控制时，第一次运行前必须首先对电动机进行参数的调谐整定。目前新型矢量控制通用频器中已经具备异步电动机参数自动调谐、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行调谐后存储在相应的参数组中，并根据调谐结果调整控制算法中的有关数值。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制自动调谐（因在电动机旋转情况下进行，又称旋转式调谐）

21、的步骤一般是这样的：首先在变频器参数中输入需要调谐的电动机的基本参数，包括电动机的类型（异步电动机或同步电动机）、电动机的额定功率（单位是KW）、电动机的额定电流（单位是A）、电动机的额定频率（单位是Hz）、电动机的额定转速（单位转/分）；然后将电动机与机械设备分开，电动机作为单体；接着用变频器的操作面板指令操作，变频器的控制程序就会一边根据内部预先设定的运行程序自动运转，一边测定一次电压和一次电流，然后计算出电动机的各项参数。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制在电动机与机械设备难以分开的场合却很不方便，此时可采用静止式调谐整定的方法，即将固定在任一相位、仅改变振幅而不产生旋转的三相交流电压施

22、加于电动机上，电动机不旋转，由此时的电压、电流波形按电动机等值回路对各项参数进行运算，便能高精度测定控制上必需的电动机参数。在静止式调谐中，用原来方法无法测定的漏电流也能测定，控制性能进一步提高。利用静止式调谐技术，可对于机械设备组合一起的电动机自动调谐、自动测定控制上所需的各项常数，因而显著提高了通用变频器使用的方便性。项目四 数控车床主轴开环矢量控制从图的异步电动机的T型等效电路表示中可以看出，电动机除了常规的参数如电动机极数、额定功率、额定电流外，还有R1（定子电阻）、X11（定子漏感抗）、R2（转子电阻）、X21（转子漏感抗）、Xm（互感抗）和I0（空载电流）。 项目四 数控车床主轴开

23、环矢量控制图图4.5 异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路项目四 数控车床主轴开环矢量控制从上面已经知道，参数辨识分电动机静止辨识和旋转辨识2种，其中在静止辨识中，变频器能自动测量并计算定子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入；在旋转辨识中，变频器自动测量电动机的互感抗和空载电流 项目四 数控车床主轴开环矢量控制在调谐整定过程中，必须注意以下几点：在调谐整定过程中，必须注意以下几点：（1）调谐过程如果出现过流或过压故障，可适当调整价减速时间和转矩补偿数值，并取消故障自动复位功能。（2）在起动调谐前应确保电动机处于停止状态，否则调谐不能正常进行。（3）调谐前必须确

24、保输入电动机的铭牌参数准确无误，否则调谐后的电动机参数不准确。项目四 数控车床主轴开环矢量控制（4）不同品牌不同型号的变频器旋转调谐时从零速加速运行到的频率有些差异，有些是基本运行频率，有些则只有基本运行频率的50或80，具体可依据变频器的用户手册。（5）如果现场情况无法对电动机进行调谐的，可以参考同类电动机的已知参数手工输入，或者按照以下方式进行：先选择静止调谐，可依次计算出定子电阻、转子电阻和漏感抗3个参数，不测量电动机的互感抗和空载电流，用户可以根据电动机铭牌自行计算这两个参数，计算中用到的电动机铭牌参数有额定电压U、额定电流I、额定频率f和功率因数，其中项目四 数控车床主轴开环矢量控制

25、空载电流 互感抗 （X代表漏感抗，是定子漏感抗X11和转子漏感抗X21之和）（6）为了保证控制性能，必须按变频器标准适配电动机进行电动机配置，若电动机功率与标准适配电动机的功率差距过大（功率差别一般在1到2级之间），变频器的控制将明显下降，或者配用高转差电动机等特殊电动机也将大大影响使用效果。（7）如果在变频器与电动机之间接有电抗器或滤波器等配件的话，将影响到自动调谐的准确度，应该在进行自动调谐前暂时拆除这些配件。项目四 数控车床主轴开环矢量控制3、速度调节器、速度调节器ASR 速度调节器ASR的结构如图所示，图中Kp为比例增益，KI为积分时间。积分时间设为0时，则无积分作用，速度环为单纯的比

26、例调节器。由于是无速度传感器矢量控制方式，速度环的实际速度来源于变频器内部的实际计算值。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图图4.6 速度调节器简化框图速度调节器简化框图项目四 数控车床主轴开环矢量控制速度调节器ASR的整定参数包括比例增益P和积分时间I，其数值大小将直接影响矢量控制的效果，其目标就是要取得动态性能良好的阶跃响应（图）。具体调节的影响情况如下：（1）增加比例增益P，可加快系统的动态响应，但P值过大，系统容易振荡；（2）减小积分时间I值，可加快系统的动态响应，但I值过小，系统超调就会增大，且容易产生振荡；（3）通常先调整比例增益P值，保证系统不振荡的前提下尽量增大P值，然后调节积分

27、时间I值使系统既有快速的响应特性又超调不大。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制图是比例增益P值与速度调节器ASR的阶跃响应关系，图是积分时间I值与速度调节器ASR的阶跃响应关系。a)参数整定情况一参数整定情况一 b)参数整定情况一参数整定情况一 c)参数整定情况一参数整定情况一 项目四 数控车床主轴开环矢量控制一般的矢量变频器为了适应电动机低速和高速带载运行都有快速响应的情况，都设有两套PI参数值（即低速PI值和高速PI值），同时设有切换频率。为了保证两套PI值的正常过渡，一些变频器还另外设置了两个切换频率，即切换频率1和切换频率2，如图。其控制原理是：低于切换频率1的频率动态响应PI值取A点

28、的数值，高于切换频率2的频率动态响应PI值取B点的数值，位于切换频率1和切换频率2的频率动态响应PI值取两套PI参数的加权平均值。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图图4.8 PI参数与频率切换的关系参数与频率切换的关系 项目四 数控车床主轴开环矢量控制如果PI参数设置不当，系统在快速起动到高速后，可能产生减速过电压故障（如果没有外接制动电阻或制动单元），这是由于在速度超调后的下降过程中系统再生制动状态能量回馈所致，因此合适的PI值对于系统的稳定性至关重要。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4、转差补偿增益和静差率、转差补偿增益和静差率静差就是从一个稳定的转速过渡到另一个稳定的转速之间的差值，静差

29、率是指电动机空载与满载的速度差，这两个参数对于电动机的控制特性都是要求比较高的。由于无速度传感器的矢量控制方式对于转速的测量是间接的，一般都是通过容易测量的定子电压和电流信号间接求得转速。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制目前常用的方法有：（1）利用电动机模型推导出转速方程式，从而计算转速；（2）利用电动机模型计算转差频率，进行补偿；（3）根据模型参考自适应控制理论，选择合适的参考模型和可调整模型，同时辨识转速和转子磁链；（4）利用其它辨识或估计方法求得转速；（5）利用电动机的齿谐波电势计算转速；等等。但是，无论哪一种方法，对于电动机实际运行的速度计算或辨识精度都非常有限，为了精确调整静差，确

30、保电动机的静差率低于0.01%，就需要对转差补偿增益进行设置。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制所谓转差补偿增益，就是用于计算转差频率，设定值100表示额定的转矩电流对应额定的转差频率，因此设置合理的转差补偿增益系统可以精确调整速度控制的静差。其参数的设置原则是：当电动机重载时速度偏低，就应该加大该系数，反之就减小该参数。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.3变频器容量选择的依据变频器容量选择的依据变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充 项目四 数控车床主

31、轴开环矢量控制1、从电流的角度、从电流的角度大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。项目四 数控车床主轴开环矢量控制选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处

32、于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制2、从效率的角度、从效率的角度系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：（1）变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。（2）在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制（3）当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作

33、时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。（4）经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。（5）当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制变频器负载率b与效率h的关系曲线见图。图负载率与效率的关系曲线图负载率与效率的关系曲线项目四 数控车床主轴开环矢量控制可见：当b=50%时，h=94%；当b=100%时，h=96%。虽然b增一倍，h变化仅2%，但对中大功率例几百千瓦至几千千瓦电动而言亦是可观的。系统效率等于变频器效率与电动机效

34、率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：以下几点： （1）变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。 （2）在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。 （3）当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制（4）经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功

35、率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。（5）当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制3、从计算功率的角度、从计算功率的角度对于连续运转的变频器必须同时满足以下3个计算公式：（1）满足负载输出：PCNPM（2）满足电动机容量：PCN3kUeIe10-3（3）满足电动机电流：ICNkIe项目四 数控车床主轴开环矢量控制式中PCN为变频器容量（单位kVA），PM-负载要求的电动机轴输出功率（单位kW），Ue为电动机额定电压（单位V），Ie为电动机额定电流（单位A），为电动机效率(通常约为0

36、85)，cos为电动机功率因数(通常约为075)，k是电流波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，通常k约为10511）。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.4电动机低频运行时所要考虑到因素电动机低频运行时所要考虑到因素在决定变频控制系统中电动机带负载能力的因素方面，必须考虑到电动机在低速时的温升。1.低频运行时的电动机功耗低频运行时的电动机功耗功耗是导致电动机发热的原因，当电动机的工作频率下降时，电动机内各种功耗的变化情形为：项目四 数控车床主轴开环矢量控制（1）铜损不变。由于电动机的额定电流不变，故铜损无变化。（2）铁损下降。由于铁

37、损与频率有关，当频率下降时，铁损也下降。（3）机械损耗下降。由于机械损耗与转速有关，转速下降时，机械损耗也下降。总之，当电动机的工作频率下降时，其内部的功耗将有所下降。项目四 数控车床主轴开环矢量控制2.低频运行时的电动机散热低频运行时的电动机散热一般情况下，中小容量的电动机的散热主要靠转子轴上自带的风扇和内部的通风。显然，电动机低频运行时，转速也随之下降，通风情况变差。根据实际运行情况得出，在低频运行时电机对于内部功耗的散热效果远低于工频，从而导致电机温升，电动机的带负载能力也随之下降。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制为了克服电动机在低频带载能力低的弱点，必须采取强制风冷。而变频电机是专门

38、配备变频器使用的特殊电机，变频电机可在保证转矩的情况下长期低速运行，普通三相异步电动机的转速是固定的，电机厂是根据电机的转速设计风扇的，普通电机如果用变频器降速运行，风扇的转速也会降低，风扇的风量就会下降，电机温度会升高，而变频电机是用另外加配的电风扇散热的，风扇是不受电机的转速限制的，所以变频电机特别适合用变频器控制时的低速运行。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.5变频器制动原理变频器制动原理1、制动问题的提出、制动问题的提出通用变频器大都为电压型交-直-交变频器，从变频器的基本结构图中可以知道三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电

39、压、频率可调的交流电给电动机供电。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。项目四 数控车床主轴开环矢量控制一般而言，负载的能量可以分为动能和势能两种。动能（由负载的速度和重量确定其大小）随着物体的运动而累积，当动能减为零时，该事物就处在停止状态。机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低，这时会产生制动过程，由制动产生的功率将返回到变频器侧，由于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压；而以GTR、IGBT为

40、代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了通用变频器的应用范围。项目四 数控车床主轴开环矢量控制因此，必须将这些功率消耗掉，如可以用电阻发热消耗。在用于提升类负载时，如负载下降，能量（势能）也要返回到变频器（或电源）侧，这种操作方法被称作“再生制动”。如果在负载减速期间或者长期被倒拖时，由电机侧流到变频器直流母线侧产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧或者通过直流母线并联的方式由其他电动状态的电机消耗的方法叫做回馈制动。项目四 数控车床主轴开环矢量控制显然，如需要将能量直接返回到电

41、源侧还需要一种特殊的装置，即能量回馈单元。总而言之，为了改善制动能力，不能单纯期望靠增加变频器的容量来解决问题，而必须采用处理再生能量的方法：电阻能耗制动和回馈制动。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制因此，在以下应用场合，用户必须考虑配套使用制动方式：电机拖动大惯量负载（如离心机、龙门刨、巷道车、行车的大小车等）并要求急剧减速或停车；电机拖动位能负载（如电梯，起重机，矿井提升机等）；电机经常处于被拖动状态（如离心机副机、造纸机导纸辊电机、化纤机械牵伸机等）。以上几类负载的共同特点，要求电机不仅运行于电动状态（一、三象限），而且要运行于发电制动状态（二、四象限）。项目四 数控车床主轴开环矢量控制

42、2、电阻能耗制动的工作方式、电阻能耗制动的工作方式电阻能耗制动采用的方法就是制动单元和制动电阻二部分。即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，实现电机的四象限运行，该方法虽然简单，但有如下严重缺点： 项目四 数控车床主轴开环矢量控制(1)浪费能量，降低了系统的效率；(2)电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作；(3)简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制动性能的提高(制动转矩大，调速范围宽，动态性能好)。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.6变频器能耗制动的设计变频器能耗制动的设计能耗制动中涉及到制动单元和制动电阻的选配计算方法，包括以下几种：1

43、.制动转矩制动转矩TB的计算的计算假设电机从现在的运行速度开始制动，在一定的减速时间里，到达新的一个稳定转速，这样的一个制动过程所需的电磁转矩TB可以由以下公式计算：项目四 数控车床主轴开环矢量控制式中，TB为制动电磁转矩（Nm）；GD2M为电机的转动惯量（Nm2）；GD2L为电机负载侧折算到电机侧的转动惯量（Nm2）；TL为负载阻转矩（Nm）；N1为制动前电机速度（r/min）；N2为制动后电机转速（r/min）；ts为减速时间（s）。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.6变频器能耗制动的设计变频器能耗制动的设计一般情况下，在进行电机制动时，电机内部存在损耗，折合成制动转矩大约为电动机额

44、定转矩的20，因此若所计算出的制动电磁转矩小于20的电机额定转矩，则表明无需外接制动装置。项目四 数控车床主轴开环矢量控制在能耗制动中，要有足够的制动转矩才能产生需要的制动效果，制动转矩太小，变频器仍然会过电压跳脱。制动转矩越大，制动能力越强，制动性能越好。但是，制动转矩要求越大，设备投资也会越大。在制动转矩进行精确计算出现困难的时候，我们还可以进行估算来满足工程要求。项目四 数控车床主轴开环矢量控制有这样一些经验值：按100%制动转矩设计，可以满足90%以上的负载；对电梯，提升机，吊车，按100%；开卷和卷取设备，120%计算；离心机负载为100%；需要急速停车的大惯性负载，可能需要120%

45、的制动转矩；普通惯性负载80%。在极端的情况下，制动转矩可以设计为150%，此时对制动单元和制动电阻都必须仔细核算，因为此时设备可能工作在极限状态，一旦计算错误可能会损坏变频器本身。超过150%的转矩是没有必要的，因为超过这个数值，变频器本身也工作到了极限，没有增大的余地了。项目四 数控车床主轴开环矢量控制2.制动电阻的阻值计算制动电阻的阻值计算制动电阻的选择必须基于这样一个原则：电机再生电能必须被电阻完全吸收。在制动单元工作过程中，直流母线的电压升降取决于常数RC，R为制动电阻的阻值，C为变频器的电解电容的容量。由充放电曲线我们知道，RC越小，母线电压的放电速度越快，在C保持一定（变频器型号

46、确定）的情况下，R越小，母线电压的放电速度越快。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制由以下公式可以求出制动电阻的阻值：由以下公式可以求出制动电阻的阻值：式中，UC为制动单元动作电压值，取值可以参照第二章相关内容（通常可以取710V）；TM为电机额定转矩（Nm）。这里，设定N2为0，这样该阻值就能满足电机各种减速状况的要求。项目四 数控车床主轴开环矢量控制3.制动单元的选择制动单元的选择在进行制动单元得选择时，制动单元工作时流过开关管的最大瞬时电流要小于该器件的额定电流是选择的唯一依据，通过计算出最大电流值，就可以选择合适的制动单元，计算公式如下：项目四 数控车床主轴开环矢量控制式中，UC为制动单

47、元直流母线电压值，在交流380V进线电源时取800V；RB为制动电阻阻值（）；IC为制动电流瞬时值（A）。一般变频器的硬件过压保护值为760V，考虑其动作的滞后，将其适当加大，但不会超过800V，因此在计算IC时适当加大了UC。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.制动电阻的标称功率制动电阻的标称功率由于制动电阻为短时工作制，即每次通电时间很短，在通电期间，电阻温升远远达不到稳定温升，但瞬时功率很高；每次通电后的间歇时间较长，在该段时间内其温度在不断下降，如此循环往复，最终电阻达到一定的稳定温升，一般有80100度。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制因此根据电阻的特性和技术指标，我们知道电阻的标

48、称功率（即额定功率）将小于通电时的消耗功率，一般可以由下式求得：式中，PR为制动电阻的标称功率或额定功率（W）；PS为制动期间的平均消耗功率（W）；ED%为制动使用率，这里选择10；a为制动电阻降额系数，一般选2，该值可以由电阻的降额曲线查得。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制PS可由以下公式求得：可由以下公式求得：这里必须指出，制动使用率是根据负载的实际情况选定的，不同的工艺条件，ED就不一样。图为制动使用率的示意。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图图4.10 制动使用率制动使用率项目四 数控车床主轴开环矢量控制这里以典型的升速、保持、降速为一个过程，从前一次减速制动到现在的减速制动为一个周

49、期Tc，减速时间即制动时间为Tb，则制动使用率就是由以下公式计算：ED%=（Tb/Tc）100项目四 数控车床主轴开环矢量控制一般而言，ED%取值根据负载的实际制动特性，当然也可以由下面的经验值进行估算：电梯ED%=10-15%油田磕头机ED%=10-20%开卷和卷取ED%=50-60%（最好按系统设计指标核算）离心机ED%=5-20%下放高度超过100米的吊车ED%=20-40%偶然制动的负载ED%=5%其他ED%=10%项目四 数控车床主轴开环矢量控制以上所讲的都是电机处于重复减速的周期制动情况，如果属于非重复减速，其制动电阻的额定功率选择是不同的。另外，如果强迫风冷代替自然冷却，电阻的额

50、定功率可以进一步减小。总之一句话，制动电阻的额定功率的计算基准是：电机再生电能必须能被电阻完全吸收并变为热能释放。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制确定了阻值和功率就可以基本确定制动电阻的参数，同时在制作方式上应采用双线并绕的无感电阻，当然也可用普通的箱式电阻，但需在电阻两端并接一只续流二极管，可使用快恢复二极管，耐压1000V以上。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.2.7变频器能耗制动的应用变频器能耗制动的应用 能耗制动的基本应用就是变频器、制动单元和制动电阻，且是一一对应的。由于制动单元一般具有通用性，制动电阻又可以功率和阻值自由选配，所以一对一的单机应用型能耗制动方案对品牌并无特殊要求

51、。项目四 数控车床主轴开环矢量控制能耗制动的基本应用方案一般都以下三种：1.无保护型无保护型图所示就是适用于用户选用的普通制动电阻。只要确保制动电阻的功率和散热条件良好，并不至于发生火灾隐患的情况下，就可以选用无保护型接线。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图无保护型制动单元配线图无保护型制动单元配线项目四 数控车床主轴开环矢量控制图中，制动单元以艾默生TDB系列为例，其端子说明如下：P为直流母线正端，N为直流母线负端，可以输入的电压规格为DC600V/40A；PB为制动电阻的一端，另外一端为P，接输出制动电阻；G为制动单元接地；TA/TB/TC为故障继电器的公共点、常闭点和常开点，可以接交流2

52、20V/10A或直流30V/1A以下的控制回路。项目四 数控车床主轴开环矢量控制2.接触器保护型接触器保护型图的接线就是通过进线接触器来保证变频器与制动单元的电气安全，也就是说当制动单元发生故障（TA/TB动作）或者制动电阻热保护（TH1/TH2动作），立即切断接触器KM，变频器和制动单元就处于安全保护状态。采用接触器保护型的接线方式必须确保制动单元的动作触点和制动电阻的热触点处于有效的状态内，否则容易导致接触器不动作或频繁动作，反而造成系统损坏。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制图图4.12 保护型制动单元配线保护型制动单元配线项目四 数控车床主轴开环矢量控制3.控制端子保护型控制端子保护型

53、图的接线就是通过定义控制端子为变频器的保护功能时封锁变频器的电压输出，也就是说当制动单元发生故障（TA/TB动作）或者制动电阻热保护（TH1/TH2动作），变频器的控制端子X1就处于有效接通的状态，变频器就认为外部设备故障，显示故障报警代码并停止输出。这种功能是利用变频器特有的对输入外部设备的故障监视功能。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图控制端子保护型制动单元配线图控制端子保护型制动单元配线项目四 数控车床主轴开环矢量控制4、能耗制动的扩充应用方案、能耗制动的扩充应用方案由于制动单元的规格并不是以电机的规格为基础，而是按照制动时的电流来选配，因此制动单元的型号相对较少，只有几种。如果单个的制

54、动单元并不能完全解决制动问题时，就可以采用扩充应用方案，也就是制动单元并联的方案。项目四 数控车床主轴开环矢量控制这里以安邦信公司AMB-G7B-C03制动单元为例进行多单元并联方案。安邦信的制动单元都有主/从控制单元设置，当一台制动单元运行时，把开关选择为主控制；当采用扩充应用方案时，即多台制动单元并联运行，优先选取其中一台作为主控制，其余的作为从控制，如图所示。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图制动单元多单元并联图制动单元多单元并联项目四 数控车床主轴开环矢量控制4、能耗制动的扩充应用方案能耗制动的扩充应用方案图中可以看到，当多台制动单元并行运行时，控制单元1作为主控单元，控制单元2、3作

55、为从控单元，制动电阻单元的过热保护接线，控制端子M+（输出控制正信号）、S+（输入控制正信号）和M-（输出控制负信号）、S-（输入控制负信号）之间的导线长度不得超过1米，并行联结的制动单元总数不得超过10。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.3 技能训练一：变频器技能训练一：变频器A700的开环的开环矢量调试矢量调试4.3.1A700变频器离线自动调整变频器离线自动调整变频器运行在开环矢量控制方式时，其控制性能是跟电机的模型大有关系的，因此，必须对变频器对应的电动机进行参数辨识，其中最常用的一种方式是“离线自动调整”，从而在矢量运行时最大限度地发挥电机的性能。这里以三菱A700为例进行介绍离线

56、自动调整的相关技能。项目四 数控车床主轴开环矢量控制1、跟离线自动调整有关系的参数、跟离线自动调整有关系的参数在变频器对电动机进行参数辨识前，必须输入如表所示的4个参数，包括适用电机类型、额定电压、额定频率以及自动调整设定状态。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制表表4.1 跟离线自动调整有关系的参数跟离线自动调整有关系的参数 其中参数选择必须根据表所示进行。其中参数选择必须根据表所示进行。项目四 数控车床主轴开环矢量控制表表4.2 参数的选择参数的选择项目四 数控车床主轴开环矢量控制显然，由于在数控车床主轴控制进行矢量控制选用电机基本都是Y、Y2或YVP等系列国产电动机，因此选择为“其他公司制

57、造的标准电机”或“其他公司制造的恒转矩电机”，即Pr.71=3或13。项目四 数控车床主轴开环矢量控制2、准备工作、准备工作在执行离线自动调整之前，请进行以下确认：1）对电动机的参数进行设定（和）。2）对变频器的运行方式进行设定（）。3）连接好电机，并确保在开始调整时电机处于停止状态。项目四 数控车床主轴开环矢量控制按照电机容量与变频器容量相同或是电机容量比变频器容量小1级的组合进行运行。但是电机容量至少应为以上。对于55K以下的变频器如果在变频器和电机间连接了浪涌电压抑制滤波器(FR-ASF-H)的状态下，对于75K以上的变频器如果在变频器和电机间连接了正弦波滤波器(MT-BSL/BSC)的

58、状态下，执行离线自动调整时将无法正确调谐。此时需要拆除这些滤波器后再执行调整操作。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4）根据离线调整方式，确保电机与负载的连接方式不影响到离线自动调整。在电机不运转的离线自动调整（Pr.96 自动调整设定/状态 “1”）方式下，电机可能会发生极微小的运动，需要通过机械制动器加以可靠的固定，或确认即使电机转动在安全方面也不存在问题后再进行调谐（特别是用于升降机时，尤其要加以注意）。同时，电机轻微转动不会影响调谐性能。项目四 数控车床主轴开环矢量控制选择了电机运转的离线自动调整（Pr.96 自动调整谐设定/状态 “101”）时，应注意调谐过程中转矩不充分的情况会发生、

59、即使运转至电机额定速度附近也不会发生设备安全问题、制动器已放开、不能在受到外力的情况下运转。项目四 数控车床主轴开环矢量控制3、执行调整、执行调整1）设置为变频器运行方式为PU，按下操作面板/；外部运行时请将起动指令（STF信号或STR信号）设为ON，开始调谐操作。2）以Pr.96 自动调整谐设定/状态 “101”为例进行调整，通过操作面板可以观察到如图所示：项目四 数控车床主轴开环矢量控制图自动调整图自动调整项目四 数控车床主轴开环矢量控制3）离线自动调整的时间根据参数选择不同会有所变化，具体如表所示。 表离线自动调整的时间项目四 数控车床主轴开环矢量控制4）在离线自动调整完成后，如为PU

60、运行时，请按下操作面板的。如为外部运行时请将起动信号（STF 信号或STR信号）设为OFF。实施此操作后。离线自动调整被解除，PU的监视器显示将恢复为正常显示。5）调谐完成后请勿变更 Pr.96 的设定值（3或103）。如果用户变更了Pr.96 的设定值时，调谐数据将无效，如果还是希望运行开环矢量控制方式下，需要再次进行调谐。6）离线自动调整如果异常结束（参见表），电机参数未得到设定，需要进行变频器复位后，重新进行调谐操作。项目四 数控车床主轴开环矢量控制表表4.4 异常结束错误代码异常结束错误代码在调谐过程中将起动信号（STF信号或STR信号）设为OFF，强制结束调谐时，离线自动调谐未能正常

61、结束，也就是说电机参数未得到设定，这时候需要在变频器的复位后，重新进行调整操作。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.3.2A700变频器在线自动调整变频器在线自动调整由于在变频器进行矢量控制时用到了极易受温度影响的转子参数，参数的变化直接影响了电动机的调速性能，使得实际上的控制效果远不如理论分析的那么完美。我们知道，纯金属的电阻随温度的升高电阻增大，温度升高1电阻值要增大千分之几。因此，必须要对电机在温度发生变化时进行温度补偿，以实现良好的速度控制和转矩控制 项目四 数控车床主轴开环矢量控制对于A700变频器来说，可以简单地选择来进行在线自动调整，具体如表所示。表在线自动调整参数设置表在线自动

62、调整参数设置项目四 数控车床主轴开环矢量控制1、电机一开机运行即进行在线自动调整、电机一开机运行即进行在线自动调整由于在线自动调整需要进行CPU运算，对于某些高性能控制要求的电机控制来说，如果只在每一次开机运行时进行“在线自动调整”就能节省大量的时间，也能提高控制精度。这种情况下，只需设定Pr.95=1。项目四 数控车床主轴开环矢量控制操作步骤如下：操作步骤如下：1）确认、和为合适的值，即选择开环矢量控制方式。2)确认Pr.96 自动调整设定/状态为“3”或“103”（离线自动调整完成），这意味着在实施在线自动调谐前，务必实施离线自动调整。3)设定 Pr.95 在线自动调整选择 “1”（起动时

63、在线自动调整），在下一次起动时将执行在线自动调整。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4) 设为PU运行时，需要按下操作面板的/ ；在外部运行时，将运行指令（STF信号或STR信号）设为ON。通过以上步骤就能在起动时迅速对电机的状态进行调谐，可以实现不受电机温度影响的高精度运行，以及实现超低速下的高转矩、稳定运行。项目四 数控车床主轴开环矢量控制2、实时在线自动调整、实时在线自动调整设定Pr.95=2的前提条件是使用带PG的电机并实施矢量控制时，这对于提高转矩精度非常有效，其原理是通过流过电机的电流和变频器的输出电压来推断和监测电机内部的磁通。在实时在线自动调整下，由于可始终高精度地推断出电机的磁

64、通，变频矢量控制效果不会受电阻的温度变化影响，从而取得良好的运行特性。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.3.3 开环矢量控制的实施步骤开环矢量控制的实施步骤速度控制是指对于确保速度指令和实际电机转速一致进行控制，请设置合理的开环矢量可控制。开环矢量控制的实施步骤如下：1）实施可靠的配线。2）进行所使用电机的设定（）。3）进行电机容量、电机极数的设定。（，）。在Pr.80 电机容量 中设定电机容量（kW）；在Pr.81 电机极数 中设定电机极数（POLE数）。当变频器参数进行初始化时，其设定值为“9999”，默认为V/F控制。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制4）进行控制方法的选择。选择Pr

65、.800 = “10”（速度控制）或“12”（速度-转矩切换），以使速度控制有效。5）进行运行指令的设定。选择起动指令和速度指令。A、起动指令操作面板：通过操作面板的/ 进行设定；外部指令：通过正转，反转指令（端子STF或STR）进行设定。B、速度指令实时开环矢量控制的速度指令设定范围为0120Hz，它可以通过三种方式进行输入：项目四 数控车床主轴开环矢量控制操作面板：通过操作面板的进行设定；外部模拟指令（端子2或4）：通过端子2 （或端子4）所输入的模拟信号，发出速度指令；多段速指令：速度指令也可通过外部信号（RH，RM，RL）发出指令。 6）进行转矩限制的设定（）。7）实施离线自动调整（）

66、。实时无传感器控制方式时，请在运行前切实实施离线自动调整。8）试运行。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.4 技能训练二：主轴变频器与制动单技能训练二：主轴变频器与制动单元及电阻的连接元及电阻的连接4.4.1 A700变频器与专用外接制动电阻器的连接变频器与专用外接制动电阻器的连接1、连接专用外接制动电阻器、连接专用外接制动电阻器变频器A700的端子P/+、PR上虽然连接有内置制动电阻，但如果实施高频率的运行时，内置的制动电阻的热能力将不足，需要在外部安装专用制动电阻器(FR-ABR)。此时需要拆下端子PR-PX的短路片（以下），将专用制动电阻器(FR-ABR)连接至端子P/+，PR。项目四

67、数控车床主轴开环矢量控制通过拆下端子PR-PX间的短路片，将不再使用内置制动电阻器。但是，没有必要将内置制动电阻器从变频器拆下，也没有必要将内置制动电阻器的引线从端子排上拆下。另外，在连接制动电阻器后，还需要设定下述参数：Pr.30 再生制动功能选择 “1”Pr.70 特殊再生制动使用率 “以下：10%，11K以上：6%”项目四 数控车床主轴开环矢量控制对三菱变频器进行外接制动电阻器的安装如下：1.拆下端子PR和端子PX的螺丝，取下短路片（如图所示）。图图4.16 连接外接制动电阻器连接外接制动电阻器2.在端子P/+，PR上连接制动电阻。项目四 数控车床主轴开环矢量控制2、过流保护、过流保护为

68、了防止变频器内置制动单元短路故障时而导致的制动电阻器过热和烧毁，建议按照图所示安装过流保护器，并将过流保护器的触点信号接入到变频器的多功能输入端（图中未画出）。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图过流保护的主电路连接图过流保护的主电路连接项目四 数控车床主轴开环矢量控制2、主轴变频控制的基本原理、主轴变频控制的基本原理由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为：n=60f/p（1s）其中P电动机的极对数，s转差率，f供电电源的频率，n电动机的转速从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0400Hz（甚至更高频率）之间

69、任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。项目四 数控车床主轴开环矢量控制2、主轴变频控制的基本原理、主轴变频控制的基本原理由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为：n=60f/p（1s）其中P电动机的极对数，s转差率，f供电电源的频率，n电动机的转速从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0400Hz（甚至更高频率）之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图过流保护的主电路连接图过流保护的主电路连接项目四 数控车床主轴开环矢量控制2、主轴变频控制的基本原

70、理、主轴变频控制的基本原理由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为：n=60f/p（1s）其中P电动机的极对数，s转差率，f供电电源的频率，n电动机的转速从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0400Hz（甚至更高频率）之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。项目四 数控车床主轴开环矢量控制2、主轴变频控制的基本原理、主轴变频控制的基本原理由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为：n=60f/p（1s）其中P电动机的极对数，s转差率，f供电电源的频率，n电动机的转速从上式可看出，电机转速与频率近

71、似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0400Hz（甚至更高频率）之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。项目四 数控车床主轴开环矢量控制2、主轴变频控制的基本原理、主轴变频控制的基本原理由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为：n=60f/p（1s）其中P电动机的极对数，s转差率，f供电电源的频率，n电动机的转速从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0400Hz（甚至更高频率）之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。项目四

72、数控车床主轴开环矢量控制2、主轴变频控制的基本原理、主轴变频控制的基本原理由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为：n=60f/p（1s）其中P电动机的极对数，s转差率，f供电电源的频率，n电动机的转速从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0400Hz（甚至更高频率）之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图过流保护的主电路连接图过流保护的主电路连接项目四 数控车床主轴开环矢量控制图过流保护的主电路连接图过流保护的主电路连接项目四 数控车床主轴开环矢量控制过流保护

73、器的选型如表所示。 表4.6 过流保护器的选型项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.4.2 A700变频器与制动单元变频器与制动单元FR-BU的连接的连接制动单元FR-BU连接时应使变频器端子（P/+，N/-）与FR-BU（H）制动单元的端子的记号相同（接错时会损坏变频器），如果是在以下的变频器在使用FR-BU时，必须拆除端子PR-PX间的短路片。同时，变频器制动单元（FR-BU） 阻抗器单元（FR-BR）之间的布线距离应在5m以内，即使是用双绞线也应限定在10m以内。具体连接如图所示。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制图图4.18 制动单元制动单元FR-BU与变频器、制动电阻的连接与变频器、制

74、动电阻的连接项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.3.3 A700变频器与制动单元变频器与制动单元MT-BU5的连接的连接对于变频器在75KW以上，且制动要求比较高时，建议采用MT-BU5，因为它具有多路制动电阻输出，具体连接如图所示。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图图4.19 制动单元制动单元MT-BU5与变频器、制动电阻的连接与变频器、制动电阻的连接项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.3.4 A700制动参数的设置与调试制动参数的设置与调试与制动相关的参数共有和两个，其设置必须遵照表所示进行，其中制动率的选择可以参照上节内容进行设置和调试。项目四 数控车床主轴开环矢量控制表表4.7 制动相

75、关参数制动相关参数项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.5 项目设计方案项目设计方案4.5.1数控车床主轴驱动功率、转速范围和控数控车床主轴驱动功率、转速范围和控制方式的确定制方式的确定1、数控车床主轴对变频器传动的要求、数控车床主轴对变频器传动的要求数控车床的技术水平依赖于进给和主轴传动系统的性能，对于主轴变频器传动来说，主要有下述要求：项目四 数控车床主轴开环矢量控制（1）调速范围要宽调速范围r是主轴电动机的最高转速与最低转速之比，即r=nmaxnmin。为适应不同零件及不同加工工艺方法对主轴参数的要求，数控车床的主轴传动系统应能在很宽的范围内实现调速。（2）低速时大转矩输出数控车床切削加工

76、，一般低速时为大切削量(切削深度和宽度)，要求主轴传动系统在低速运行时，要有大的输出转矩。项目四 数控车床主轴开环矢量控制（3）速度和功率不断提高随着生产力的不断提高，机床结构的改进，加工范围的扩大，要求机床主轴的速度和功率也不断提高，主轴的转速范围也不断的扩大，主轴的恒功率调速范围更大，并有自动换刀的主轴准停功能等。为了实现上述要求，主轴驱动要采用无级调速系统驱动。一般情况下主轴驱动只有速度控制要求，少量有位置控制要求，所以主轴控制系统只有速度控制环，且大多选用适量控制的交流变频器，如图所示。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图图4.20 交流变频主轴驱动原理框图交流变频主轴驱动原理框图项目四

77、 数控车床主轴开环矢量控制2、主轴变频控制的基本原理、主轴变频控制的基本原理由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为：n=60f/p（1s）其中P电动机的极对数，s转差率，f供电电源的频率，n电动机的转速从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0400Hz（甚至更高频率）之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。2、主轴变频控制的基本原理、主轴变频控制的基本原理由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为：n=60f/p（1s）其中P电动机的极对数，s转差率，f供电电源的频率，n电动机的转速从上式可看出

78、，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0400Hz（甚至更高频率）之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。当然，转速提高后，还应考虑到对其轴承及绕组的影响，防止电机过分磨损及过热，一般可以通过设定最高频率来进行限定。图图4.21 变频器在数控车床上的应用变频器在数控车床上的应用项目四 数控车床主轴开环矢量控制图所示为变频器在数控车床的应用，其中变频器与数控装置的联系通常包括：（1）数控装置到变频器的正反转信号；（2）数控装置到变频器的速度或频率信号；（3）变频器到数控装置的故障等状态信号。因此所有关于对变频

79、器的操作和反馈均可在数控面板进行编程和显示。项目四 数控车床主轴开环矢量控制3、主轴变频控制的系统构成、主轴变频控制的系统构成不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀，而使用变频器后，机床可按指令信号进刀，这样一来就提高了效率。如果被加工件呈图（1）所示形状，则由图中看出，对应于工件的AB段，主轴速度维持在1000RPM，对应于BC段，电机拖动主轴成恒线速度移动，但转速却是联系变化的，从而实现高精度切削。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图主轴变频器系统构成示意图主轴变频器系统构成示意项目四 数控车床主轴开环矢量控制在本系统中，速度信号的传递是通过数控装

80、置到变频器的模拟给定通道（电压或电流），通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置，数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置，以满足数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4、主轴变频器的基本选型、主轴变频器的基本选型目前较为简单的一类变频器是V/F控制，它是一种电压发生模式装置，对调频过程中的电压进行给定变化模式调节，常见的有线性V/F控制（用于恒转矩）和平方V/F控制（用于风机水泵变转矩）。在数控车床中，变频器V/F控制的弱点在于低频转矩不够（需要转矩提升）、速度稳定

81、性不好（调速范围1：10），因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰，而矢量控制的变频器正逐步进行推广。项目四 数控车床主轴开环矢量控制所谓矢量控制，最通俗的讲，为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能，通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位，用以维持电机内部的磁通为设定值，产生所需要的转矩。矢量控制相对于标量控制而言，其优点有：（1）控制特性非常优良，可以直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美；（2）能适应要求高速响应的场合；（3）调速范围大（1：100）；（4）可进行转矩控制。项目四 数控车床主轴开环矢量控制当然相对于V/F控制而言，矢量控制的结构复杂、计算烦琐，

82、而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，区别在于后者具有更高的速度控制精度（万分之五），而前者为千分之五，但是在数控车床中开环矢量变频器的控制性能已经符合控制要求，所以这里推荐并介绍矢量变频器。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.5.2华中华中HNC-21数控装置与变频器的连接数控装置与变频器的连接华中HNC-21数控装置通过XS9主轴控制接口和PLC 输入/输出接口，连接各种主轴驱动器，实现正反转、定向、调速等控制。1、主轴启停、主轴启停主轴启停控制由数控内置PLC 承担，标准车床PLC 程序中关于主轴启停控制的信号如表所示。项目四 数控车床主轴开

83、环矢量控制利用、Y1.1 输出即可控制主轴装置的正、反转及停止，一般定义接通有效；当Y1.0 接通时，可控制主轴装置正转；Y1.1 接通时,主轴装置反转；二者都不接通时,主轴装置停止旋转。在使用某些主轴变频器或主轴伺服单元时，也用、作为主轴单元的使能信号。项目四 数控车床主轴开环矢量控制部分主轴装置的运转方向由速度给定信号的正、负极性控制，这时可将主轴正转信号用作主轴使能控制，主轴反转信号不用。部分主轴控制器有速度到达和零速信号，由此可使用主轴速度到达和主轴零速输入，实现PLC 对主轴运转状态的监控。项目四 数控车床主轴开环矢量控制表4.8 与主轴启停有关的输入/输出开关量信号项目四 数控车床

84、主轴开环矢量控制2、主轴速度控制、主轴速度控制华中HNC-21通过XS9主轴接口中的模拟量输出可控制主轴转速，当主轴模拟量的输出范围为-10V+10V，用于双极性速度指令输入主轴驱动单元或变频器，这时采用使能信号控制主轴的启、停。当主轴模拟量的输出范围为0+10V，用于单极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用主轴正转、主轴反转信号控制主轴的正、反转。模拟电压的值由用户PLC 程序送到相应接口的数字量决定。项目四 数控车床主轴开环矢量控制3、数控装置与主轴装置的连接、数控装置与主轴装置的连接采用交流变频器控制交流变频电动机，可在一定范围内实现主轴的无级变速，这时需利用数控装置的主轴控制

85、接口（XS9）中的模拟量电压输出信号，作为变频器的速度给定，采用开关量输出信号（XS20、XS21）控制主轴启、停（或正、反转）。华中HNC-21数控装置与主轴变频器的接线图如图所示。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图图4.23 数控装置与主轴变频器的接线图数控装置与主轴变频器的接线图（本方案未采用主轴编码器则虚线框中的内容没有）（本方案未采用主轴编码器则虚线框中的内容没有） 项目四 数控车床主轴开环矢量控制4.5.3数控车床主轴变频器的连线与调试数控车床主轴变频器的连线与调试将A700变频器与华中世纪星数控系统相连接，根据变频器设置其连接电动机的参数，由华中世纪星数控系统的主轴控制命令控制变

86、频器的运行。1变频器与华中世纪星数控系统的连接变频器与华中世纪星数控系统的连接A700变频器与华中世纪星数控系统连接的端子与接口，如图所示。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图图4.24 变频器与华中世纪星数控系统的连接图变频器与华中世纪星数控系统的连接图项目四 数控车床主轴开环矢量控制为了与华中世纪星数控系统IO控制逻辑功能配合，需将A700型变频器的模拟量输入设置为010V，开关量输入为外部带电源晶体管输入。另外，由于采用外接电阻，必须将原有的电阻拆下（如项目所示）。项目四 数控车床主轴开环矢量控制2、变频器参数的设置、变频器参数的设置1）离线自动调整由于数控车床主轴所需的低速转矩要求比较高

87、，因此必须对所搭配的标准电机进行离线自动调整，调整前先把所有参数进行初始化，接下来的调整步骤可以参考上节内容，并按照表进行参数设定。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制表电机离线调整表项目四 数控车床主轴开环矢量控制待正常调整结束后，的参数值变成“103”后，可以观察到的参数值已经发生变化。如果离线调整遇到故障代码，请按照要求进行重新调整，直至完全正确为止。2)常规参数设置如表所示为数控车床主轴变频控制的常规参数设置，它包括上限和下限频率、基底频率、加速和减速时间、电子过流保护、运行模式、正转命令、AU功能等。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制表表4.10 常规参数设置常规参数设置项目四 数控车

88、床主轴开环矢量控制4.6 技术答疑技术答疑【问题【问题1】变频器在数控车床中出问题后，需要重】变频器在数控车床中出问题后，需要重新更换为另外一台变频器，但是电机与齿轮箱连新更换为另外一台变频器，但是电机与齿轮箱连在一起（不是采用皮带传动）如何进行参数辨识在一起（不是采用皮带传动）如何进行参数辨识？如果变频器在运行中出问题，需要重新更换为另外一台变频器，这时候就必须进行电机参数重新辨识，但是由于数控车床主轴传动是用齿轮箱连接在一起，在机械部分很难拆除的情况下，可以实施“离线自动调整时电机不运转”命令，即Pr.96=1，这时A700的PU上所显示的信息就如图所示。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图

89、图4.25 离线自动调整时电机不运转离线自动调整时电机不运转项目四 数控车床主轴开环矢量控制【问题【问题2】由于】由于HNC-21的正反转信号输出给变频的正反转信号输出给变频器器A700采用外接采用外接24V电源，需要注意什么问题？电源，需要注意什么问题？采用漏型逻辑时，将端子PC作为公共端子，按照图进行配线。此时，变频器的SD端子请不要与外部电源的0V端子连接，且端子PC-SD间使用DC24V电源时，变频器的外部不可以设置并联的电源,有可能会因漏电流而导致的错误动作。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图图4.26 漏型逻辑下的外部接线漏型逻辑下的外部接线项目四 数控车床主轴开环矢量控制【问题【

90、问题3】机床主轴在传动控制中，在快速制动时】机床主轴在传动控制中，在快速制动时经常会发生经常会发生“过压过压”现象，这是为什么？如何解现象，这是为什么？如何解决过压问题？决过压问题？1. 过压问题的提出过压问题的提出变频器过压故障保护是变频器中间直流电压达到危险程度后采取的保护措施，这是电压型交-直-交变频器设计上的一大缺陷，在变频器实际运行中引起此故障的原因较多，可以采取的措施也较多，在处理此类故障时要分析清楚故障原因，有针对性的采取相应的措施去处理。项目四 数控车床主轴开环矢量控制通用变频器大都为电压型交-直-交变频器，从第1章的基本结构图中可以知道三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉

91、动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。一般而言，负载的能量可以分为动能和势能两种。动能（由负载的速度和重量确定其大小）随着物体的运动而累积，当动能减为零时，该物体就处在停止状态。项目四 数控车床主轴开环矢量控制对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低，这时会产生制动过程，由制动产生的功率将返回到变频器侧，由于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压；而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限

92、制了通用变频器的应用范围。项目四 数控车床主轴开环矢量控制因此，必须将这些功率消耗掉，如可以用电阻发热消耗。在用于提升类负载时，如负载下降，能量（势能）也要返回到变频器（或电源）侧，这种操作方法被称作“再生制动”。项目四 数控车床主轴开环矢量控制如果在负载减速期间或者长期被倒拖时，由电机侧流到变频器直流母线侧产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧或者通过直流母线并联的方式由其他电动状态的电机消耗的方法叫做回馈制动。显然，如需要将能量直接返回到电源侧还需要一种特殊的装置，即能量回馈单元。项目四 数控车床主轴开环矢量控制总而言之，为了改善制动能力，不能单纯期望靠增加

93、变频器的容量来解决问题，而必须采用处理再生能量的方法：电阻能耗制动和回馈制动。项目四 数控车床主轴开环矢量控制2. 变频器过压故障的危害性变频器过压故障的危害性变频器过压主要是指其中间直流回路过压，中间直流回路过压主要危害在于：引起电动机磁路饱和。对于电动机来说，电压主过高必然使电机铁芯磁通增加，可能导致磁路饱和，励磁电流过大，从面引起电机温升过高。损害电动机绝缘。中间直流回路电压升高后，变频器输出电压的脉冲幅度过大，对电机绝缘寿命有很大的影响。对中间直流回路滤波电容器寿命有直接影响，严重时会引起电容器爆裂。因而变频器厂家一般将中间直流回路过压值限定在DC800V左右，一旦其电压超过限定值，变

94、频器将按限定要求跳闸保护。项目四 数控车床主轴开环矢量控制正是基于过压的严重危害性，在以下变频器应用场合，用户必须考虑配套使用制动方式：电机拖动大惯量负载（如离心机、龙门刨、巷道车、行车的大小车等）并要求急剧减速或停车；电机拖动位能负载（如电梯，起重机，矿井提升机等）；电机经常处于被拖动状态（如离心机副机、造纸机导纸辊电机、化纤机械牵伸机等）。项目四 数控车床主轴开环矢量控制3. 产生变频器过压的原因产生变频器过压的原因一般能引起中间直流回路过压的原因主要来自以下两个方面：（1）来自电源输入侧的过压正常情况下的电源电压为380V，允许误差为-5%+10%，经三相桥式全波整流后中间直流的峰值为5

95、91V，个别情况下电源线电压达到450V，其峰值电压也只有636V，并不算很高，一般电源电压不会使变频器因过压跳闸。电源输入侧的过压主要是指电源侧的冲击过压，如雷电引起的过压、补偿电容在合闸或断开时形成的过压等，主要特点是电压变化率dv/dt和幅值都很大。项目四 数控车床主轴开环矢量控制（2）来自负载侧的过压主要是指由于某种原因使电动机处于再生发电状态时，即电机处于实际转速比变频频率决定的同步转速高的状态，负载的传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的6个续流二极管回馈到变频器的中间直流回路中。此时的逆变器处于整流状态，如果变频器中没采取消耗这些能量的措施，这些能量将会导致中间

96、直流回路的电容器的电压上升，达到限值即行跳闸。项目四 数控车床主轴开环矢量控制从变频器负载侧可能引起过压的情况及主要原因如下:(1) 变频器减速时间参数设定相对较小及未使用变频器减速过压自处理功能。当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设定的比较小，在减速过程中，变频器输出频率下降的速度比较快，而负载惯性比较大，靠本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态，而变频器没有能量处理单元或其作用有限，因而导致变频器中间直流回路电压升高，超出保护值，就会出现过压跳闸故障。项目四 数控车床主轴开环矢量控制大多数变频器为了避免跳闸，专门设置了减速过压的

97、自处理功能，如果在减速过程中，直流电压超过了设定的电压上限值，变频器的输出频率将不再下降，暂缓减速，待直流电压下降到设定值以下后再继续减速。如果减速时间设定不合适，又没有利用减速过压的自处理功能，就可能出现此类故障。项目四 数控车床主轴开环矢量控制(2) 工艺要求在限定时间内减速至规定频率或停止运行工艺流程限定了负载的减速时间，合理设定相关参数也不能减缓这一故障，系统也没有采取处理多余能量的措施，必然会引发过压跳闸故障。(3) 当电动机所传动的位能负载下放时，电动机将处于再生发电制动状态位能负载下降过快，过多回馈能量超过中间直流回路及其能量处理单元的承受能力，过压故障也会发生。项目四 数控车床

98、主轴开环矢量控制(4) 变频器负载突降变频器负载突降会使负载的转速明显上升，使负载电机进入再生发电状态，从负载侧向变频器中间直流回路回馈能量，短时间内能量的集中回馈，可能会中间直流回路及其能量处理单元的承受能力引发过压故障。项目四 数控车床主轴开环矢量控制(5) 多个电机拖动同一个负载时，也可能出现这一故障，主要由于没有负荷分配引起的。以两台电动机拖动一个负载为例，当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时，则转速高的电动机相当于原动机，转速低的处于发电状态，引起了过压故障。处理时需加负荷分配控制。可以把变频器输出特性曲线调节的软一些项目四 数控车床主轴开环矢量控制(6) 变频器中间直

99、流回路电容容量下降变频器在运行多年后，中间直流回路电容容量下降将不可避免，中间直流回路对直流电压的调节程度减弱，在工艺状况和设定参数未曾改变的情况下，发生变频器过压跳闸几率会增大，这时需要对中间直流回路电容器容量下降情况进行检查。项目四 数控车床主轴开环矢量控制4. 过压故障处理对策过压故障处理对策对于过压故障的处理，关键一是中间直流回路多余能量如何及时处理;二是如何避免或减少多余能量向中间直流回路馈送，使其过压的程度限定在允许的限值之内。下面是主要的对策：在电源输入侧增加吸收装置，减少过压因素对于电源输入侧有冲击过压、雷电引起的过压、补偿电容在合闸或断开时形成的过压可能发生的情况下，可以采用

100、在输入侧并联浪涌吸收装置或串联电抗器等方法加以解决。项目四 数控车床主轴开环矢量控制从变频器已设定的参数中寻找解决办法在变频器可设定的参数中主要有两点：（a）减速时间参数和变频器减速过压自处理功能。在工艺流程中如不限定负载减速时间时，变频器减速时间参数的设定不要太短，而使得负载动能释放的太快，该参数的设定要以不引起中间回路过压为限，特别要注意负载惯性较大时该参数的设定。如果工艺流程对负载减速时间有限制，而在限定时间内变频器出现过压跳闸现象，就要设定变频器失速自整定功能或先设定变频器不过压情况下可减至的频率值，暂缓后减速至零，减缓频率减少的速度。项目四 数控车床主轴开环矢量控制（b）是中间直流回

101、路过压倍数。 采用增加制动电阻的方法一般小于22kW的变频器在出厂时内部中间直流回路均装有制动单元和制动电阻（如图所示），大于22kW的变频器需根据实际情况外加制动单元和制动电阻，为中间直流回路多余能量释放提供通道，是一种常用的泄放能量的方法。其不足之处是能耗高，可能出现频繁投切或长时间投运，致使电阻温度升高、设备损坏。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图图4.27 增加制动电阻的方法增加制动电阻的方法项目四 数控车床主轴开环矢量控制在输入侧增加逆变电路的方法处理变频器中间直流回路能量最好的方法就是在输入侧增加逆变电路，可以将多余的能量回馈给电网。但逆变桥价格昂贵，技术要求复杂，不是较经济的方法

102、。这样在实际中就限制了它的应用，只有在较高级的场合才使用。 项目四 数控车床主轴开环矢量控制采用在中间直流回路上增加适当电容的方法中间直流回路电容对其电压稳定、提高回路承受过压的能力起着非常重要的作用。适当增大回路的电容量或及时更换运行时间过长且容量下降的电容器是解决变频器过压的有效方法。这里还包括在设计阶段选用较大容量的变频器的方法，是以增大变频器容量的方法来换取过压能力的提高。项目四 数控车床主轴开环矢量控制在条件允许的情况下适当降低工频电源电压目前变频器电源侧一般采用不可控整流桥，电源电压高，中间直流回路电压也高，电源电压为380V、400V、450V时，直流回路电压分别为537V、56

103、5V、636V。有的变频器距离变压器很近，变频器输入电压高达400V以上，对变频器中间直流回路承受过压能力影响很大，在这种情况下，如果条件允许可以将变压器的分接开关放置在低压档，通过适当降低电源电压的方式，达到相对提高变频器过压能力的目的。项目四 数控车床主轴开环矢量控制多台变频器共用直流母线的方法至少两台同时运行的变频器共用直流母线可以很好的解决变频器中间直流回路过压问题，因为任何一台变频器从直流母线上取用的电流一般均大于同时间从外部馈入的多余电流，这样就可以基本上保持共用直流母线的电压，相关问题会在项目5中进行介绍。使用共用直流母线存在的最大的问题应是共用直流母线保护上的问题，在利用共用直

104、流母线解决过压的问题时应注意这一点。项目四 数控车床主轴开环矢量控制思考与练习思考与练习 习题习题4. 1 根据本项目的知识讲座和技能训练，并结合网络搜索来回答以下问题：（1）电机模型和参数辨识有什么重要性？（2）如果是采用国产Y2系列电动机，该如何进行辨识？（3）开环矢量控制的原理是什么？（4）HNC-21与变频器进行连接主要的接口是哪些？（5）主轴控制的变频器要不要增设制动电阻，为什么？项目四 数控车床主轴开环矢量控制习题习题4. 2 请阐述变频直流制动、能耗制动和回馈制动的定义，并比较它们之间的区别。以三菱A700变频器为例设置直流制动参数。习题习题4. 3 图所示为某进口电机的铭牌参数

105、，请使用三菱A700进行电机参数调谐，如何设置参数？并描述电机调谐步骤。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图图4.28 某进口电机的铭牌参数某进口电机的铭牌参数项目四 数控车床主轴开环矢量控制习题习题4. 4 某离心机厂的离心机选用某通用型变频器15KW（如图），在调试时，变频器总是在减速过程中报减速过压故障，会有哪些原因造成该故障？该如何解决？图图4.29 离心机外观离心机外观项目四 数控车床主轴开环矢量控制习题习题4. 5 某化工厂离心风机15KW/2极，额定转速2950转/分，采用变频器带动（图所示）。变频器带电机空载运行，经常会出现运行到12Hz左右时，输出频率在此附近振荡，振荡几次后有

106、时频率会继续上升，有时就报过载故障，但有时启动又能正常。请回答可能出现的几种情况导致该故障的发生。项目四 数控车床主轴开环矢量控制图图4.30 离心风机变频控制离心风机变频控制项目四 数控车床主轴开环矢量控制习题习题4.6 某数控机床中，主轴控制装置采用三菱A700变频器来控制交流主轴电动机。在运行过程中，变频器报故障，有时可复位，但复位后电机发出“嗡嗡”声音，旋转无力。请根据用户说明书手册，列举几个可能出现的原因。项目四 数控车床主轴开环矢量控制习题习题4.7 在开环矢量控制中，变频器的输出频率一直在变化，这是为什么？而V/f控制的变频器输出频率基本没有变化，是不是开环矢量控制效果比较差？ 项目四 数控车床主轴开环矢量控制习题习题4.8 对于低速大转矩启动负载（如搅拌机、钢铁的轧机、塑料挤出机等），使用开环矢量控制或者采用V/f控制的转矩补偿都可以起到相类似的作用，两者的工作原理一样吗？为什么？项目四 数控车床主轴开环矢量控制