数控读书报告(201010301307,江波)

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1、《数控技术》读书报告主轴驱动系统和主轴电机发展趋势201010301307江波机自103摘要：数控技术是制造业的前沿，主轴驱动系统是数控机床的关键系统。本文依照数控机床及其主轴驱动系统的简要介绍、交流主轴驱动系统及其发展趋势、电主轴发展趋势的线索，叙述了主轴驱动系统和主轴电机发展趋势，并阐述了自己对主轴驱动系统的理解。关键词：交流主轴驱动系统主轴电机电主轴发展趋势0、引言机床是一个国家工业化程度的重要标志，也是工业体系的支撑技术之一。主轴驱动系统的性能很大程度上影响着机床的性能指标和加工精度，因为主轴承担着切削工件的重要任务。数控机床主轴驱动系统作为机

2、床的最核心的关键部件之一，其输出性能对数控机床的整体水平是至关重要的。主轴驱动远不同于一般工业驱动，它不但要求较高的速度精度、动态刚度，而且要求连续输出的高转矩能力和非常宽的恒功率运行范围。而主轴电机的驱动能力又直接性的影响着主轴驱动系统的性能。因此，研究主轴驱动系统和主轴电机的发展趋势，把握其市场和应用前景，是掌握未来机床发展态势，主导数控机床发展研制的重要课题之一。1、数控机床及其主轴驱动系统8《数控技术》读书报告数控车床是由数控系统、机械、电气控制、液压、气动、润滑、冷却等子系统构成的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

3、、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、车螺纹等任务，其动力约占整台车床的动力的70％~80％。基本控制是主轴的正、反转和停止，可自动换挡和无级调速。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，主轴驱动器必须有以下性能：(1)宽调速范围，且速度稳定性能要高；(2)在断续负载下，电机的转速波动要小；(3)加减速时间短；(4)超载能力强；(5)噪声低、震动小、寿命长。目前，各主要机床生产厂家和研究单位纷纷把目光投向交流主轴驱动系统。随着功率电子、计算机技术

4、、控制理论、新材料和电机设计的进一步发展和完善，矢量控制交流电机主轴驱动系统的性能已达到甚至超过了直流主轴驱动系统。交流主轴驱动系统正在逐步取代直流系统。2、交流主轴驱动系统及其发展趋势交流主轴驱动系统的逆变器一般基于矢量控制原理，采用正弦波宽调制方式(SPWM)，功率器件采用ICBT。根据电机类型可分为感应电机主轴驱动系统、永磁无刷同步电机主轴驱动系统、开头磁阻电机主轴驱动系统。2.1、感应电机交流主轴驱动系统感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个kW到几百kW，8《数控技术》读书报告广泛地应用于各种数控机床上。感

5、应主轴电机基速以上的放展运动范围可以通过弱磁控制实现。其恒功率运动范围可达到1:5。如采用最新的绕组切换技术，其恒功率运动范围可达到1:14，甚至更宽。目前，感应主轴电机最高转速可达100000r/min以上。尽管感应主轴电机结构相对简单、但其变频控制器价格却较高。而采用了磁场定向控制技术的变频器能提供连续的转矩/速度调节能力、较高的精度、运行可行性和较低的运行费用，因而在一定程度上抵消了整个系统的初始高价格。感应式主轴电机的控制无一例外地采用磁场定向技术。该技术又分为间接磁场定向和直接磁场定向两种实现方式，其中间接转子磁场定向控制技术由于较易实现而被

6、广为应用。它能提供较高的控制品质，但这种技术过分依赖于电机的参数，当参数变化时，控制性能将严重下降，遗憾的是，在电机运行过程中，转子时间常数可以在400%的范围内变化，因此现代主轴控制器均采用辨识、估算和自整定技术对参数变化在线补偿。这项技术另一个难题是随着电机速度要求越来越高，在恒功率弱磁运行时，当转子磁场发生变化，而滑差增益无法动态补偿时，将引起磁通和转矩的振荡。近年来，随着自适应观测器和Deatt—beat观测器的应用以及微处理器性能的提高，直接磁场定向控制技术在主轴驱动中有取代间接磁场定向之势。2.2、永磁交流主轴驱动系统永磁交流主轴电机分为正

7、弦波驱动(P8《数控技术》读书报告MSM)主轴电机和方波驱动无刷直流(BDCM)主轴电机。此类主轴电机以转子无铜耗、高效率和高功率/转矩密度著称。其低速运行时可获得更大的功率和转矩，因此在同步攻丝时的伺服锁定运行和快速定向方面有较大的优势。永磁主轴电机在转子上不存在发热元件，显著提高了电机效率，同时高性能钕铁硼材料的应用，使得永磁主轴电机在所有形式的交流主轴电机中具有最高的效率和最小的体积。PMSM和BDCM电机均可运行于高速范围。但弱磁范围受到一定限制，使速度不能很高。在控制策略方面，PMSM电机的定子绕组经特殊绕制后将产生正弦反电势，当绕组通入正弦

8、电流后，便可获得恒定的转矩。但是磁场定向必须借助于绝对转子位置编码器来实现。近年提出的无传感器