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　　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實現機床的銑軸、鉆軸單獨工作及5個鉆軸同時工作的3種工作狀態的切換控制，并介紹了每種工作狀態的參數設置和調試方法。

　　關鍵詞：變頻器 改造 調速 多電動機控制
　　
　　數控機床的改造并不是完全否定原有的控制過程及控制方法，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、線路都已老化，故障率極高，且已不能實現變速控制，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個鉆軸變頻電動機能夠正常良好的運轉，所以要求使用原有交流變頻電動機，以節省開支。所以在主軸更新中，需要二者的參數及性能互相匹配，才能實現機床的原有銑軸和5個鉆軸的起停及轉速控制。

　　由于銑軸電動機的最大輸出功率為10 kW，要求能夠單獨工作；而其他5個鉆軸中的每個電動機最大輸出功率約為4 kW，要求5個鉆軸能夠同時起停并能進行調速，峰值功率可達到20 kW；另要求每個鉆軸能夠單獨工作。而且銑軸和5個鉆軸的電動機轉速及頻率范圍相差較大：銑軸電動機工作頻率為50～250Hz，轉速2 910～14 870 r／rain；鉆軸電動機的工作頻率為150—300 Hz，轉速8 580～17 600 r／min。所以如果要分別采用一個變頻器各自控制，雖然很容易實現這兩種工作狀態，但是需要購買6臺變頻器，價格比較昂貴且控制比較繁瑣而且占用空間較大。如果能夠采用一個變頻器分別用兩組參數來控制這6臺電動機的起停及轉速的兩種組合工作狀態，在經濟性和利用率上更加適合。由于西門子MICROMASTER 440系列變頻器能夠實現三組電動機驅動參數的切換，所以此次主軸部分采用一臺變頻器控制6臺變頻電動機實現兩種加工工藝的控制要求。綜合考慮后確定采用一臺22kW變頻器來實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技術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用脈寬調制技術，可使電動機低噪聲運行。擁有全面而完善的保護功能，為變頻器和電動機提供了良好的保護。可以通過設置不同的參數實現不同的電動機控制系統，所以在單獨傳動系統和集成自動化系統中應用較廣。

　　2 控制方案制定及實現

　　為滿足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臺變頻電動機實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：

　　（1）銑軸電動機能夠單獨起停并調速運行，此時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（電動機功率因數0．85）

　　輸出電壓90～380 V

　　峰值電流18．5 A

　　（2）5臺鉆軸電動機同時起停并調速運行，此時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（電動機功率因數0．74）

　　峰值電流5×9．5 A（47．5 A）

　　（3）5臺鉆軸電動機單獨起停并調速運行，此時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（電動機功率因數0．74）

　　峰值電流9．5 A

　　以上3種工作狀態在同一時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變頻器的數字量輸入介入來控制兩種驅動圖1兩種不同參數的電動機切換電動機參數的切換。在變頻器的運行或準備狀態階段利用一個或多個外部信號同時改變參數組，從而達到一臺變頻器控制兩臺及多臺電動機，如圖1所示。

　　為滿足這樣的控制要求，必須要求變頻器有這樣的控制功能，而西門子變頻器MICROMASTER 440卻可以利用變址參數來完成該功能，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，幾個不同的電動機相關設定可以存儲在每組參數中，可以用轉換數據組來激活（如在數據組間的切換）。

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

　　CDS1. CDS3

　　DDS1.DDS3

　　用于控制傳動系統和輸入給定值的參數（連接器和開關量連接器輸入）分配給命令數據組（CDS）。控制命令和給定值的信號源用BICO技術互連。傳動數據組用BICO參數P0820和P0821來切換。激活的傳動數據組顯示在參數r0051中。傳動數據組可在“準備”狀態下切換，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 電動機基本參數調試

　　由于變頻器的出廠默認設定電動機參數值與現實中所使用的電動機參數不匹配，沒有合適的參數設定。所以必須針對于原電動機銘牌進行電動機的參數設定，包括電動機數據辨識程序的V／f控制的快速調試的執行，都需要通過BOP操作面板來進行。在快速調試開始前，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、最小／最大頻率或斜坡上升／斜坡下降時間、閉環控制方式、電動機數據辨識等。具體調試步驟如下（以銑軸電動機為例，將它的參數輸入到in000中，完成第一組DDS輸入）：

　　（1）將訪問級設置為專家級；PO003=3

　　（2）參數過濾設置為所有參數；PO004=0

　　（3）調試參數過濾設置為快速調試；P0010=1

　　（4）輸入電源頻率設置為50 Hz；POLO0=0

　　（5）變頻器應用設置為恒定轉矩；P0205=0

　　（6）電動機類型設置為異步電動機；P0300=1

　　（7）電動機額定電壓設置為380 V；P0304：380

　　（8）電動機額定電流設置為18．5 A；P0305=18．5

　　（9）電動機額定功率設置為10 kW；P0307=10

　　（10）電動機額定功率因數設置為0．85；P0308=0．85

　　（11）電動機額定頻率設置為250 Hz；P0310=250

　　（12）電動機額定轉速設置為14 870 r／min；P0311= 14 870

　　（13）電動機冷卻設置為自冷式；P0335=0

　　（14）電動機過載系數設置為150％；P0640=150

　　（15）選擇命令源設置為端子；P0700=2

　　（16）選擇頻率給定值設置為模擬輸入；PIO00=2

　　（17）最小頻率；P1080=50
　　
　　（18）最大頻率；P1082=250

　　（19）控制方式設置為線性V／f（電壓／頻率）關系；P1300=0

　　（20）選擇電動機數據辨識為用參數變更；P1910=1

　　此時會出現報警A0541（電動機數據辨識激活）產生，并用下一個電動機啟動命令來測量。

　　（21）快速調試結束；P3900=1

　　此時面板上會出現顯示“busy”，表示控制數據（閉環控制）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，所以不允許傳動變頻器斷電。

　　（22）快速調試結束，啟動電動機數據辨識用外部指令啟動電動機數據辨識程序（工廠設定DIN1）。此時電流流過電動機，轉子自己定位。如電動機數據辨識已完成，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（電動機數據辨識激活）自動消失，再顯示P3900。

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

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

　　3．2 驅動參數的切換設置

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

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

　　（2）對5個鉆軸電動機的總參數與單個鉆軸電動機參數的切換調試，首先，將P0821與DDS源連接起來，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r0051參數可以監控，檢查是否切換到DDS3參數上。

　　（3）可以通過r0055．5和r0054．4的位狀態來檢查所在的驅動參數組狀態。具體的狀態如圖3所示。

　　在控制指令的切換方面，同樣采用多組態的控制方法，但由于變頻器的外部模擬量輸入控制端子只有2個，所以單臺鉆軸的控制只能與5臺鉆軸的控制公用1個模擬量控制端子來實現控制，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回切換來實現。

　　4 結語

　　此次改造中，由于機床加工工藝控制要求的特殊性，主軸部分的電動機不僅要實現高轉速變速控制，而且要實現多臺不同功率電動機混合多狀態的控制要求，在工作中較為少見。機床主軸轉速變頻控制部分由西門子MICROMASTER 440變頻器作調速器后，在實施的控制方法上更加簡單方便，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機多工作狀態控制問題的解決，提供了新的控制思路，從而可以方便快捷地實現更多的控制功能。

　　參考文獻

　　1 吳國經．數控機床故障診斷與維修．北京：電子工業出版社，2004．

　　2 沈兵．數控機床與數控系統的維修技術實例．北京：機械工業出版社，2003．