数控机床转动系统的无速度传感器的矢量控制分析

李华芳

摘要：传统数控机床已经完成了向高速、高精、高效方向的变革，当前的主要研究內容就是加工误差补偿。对于数控机床来说，传感器是测控系统的接口，负责感知、获取和检测信息。文章详尽分析并研究了数控机床转动系统的无速度传感器的矢量控制。

关键词：数控机床;转动系统;传感器;控制分析

中图分类号：TQ016.5+3文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）07-0178-03

数控机床检测系统的中枢结构为传感器，传感器的主要任务就是想我们传递各类信息，随着科技的发展，传感器已经成为人类开发和利用自然必不可少的部分。当前，大量的先进技术不断的被应用到数控机床上，其中传感器技术就是十分重要的技术之一。

1 数控机床传感器

1.1温度传感器

温度传感器是数控机床传感器中较为重要的一种，该传感器主要负责感受温度，然后将温度信号转换成为可以输出的信号。作为温度测量仪表的核心部分，温度传感器有很多种，如图1所示。数控机床的正常运作需要大量的电气元件以及电机的支持，电气元件在运作过程中通常会产生大量的热，如果温度超过一定范围，就会烧毁电气元件。机床的正常运作离不开电机的转动和移动，不管是转动还是移动，都会有热量的产生，也正是因为电机的转动和移动使得温度分布出现一定的不均匀性，继而产生温度差，数控机床在温度的影响下就会发生变形，最终就会对零件加工的精度产生影响。为了解决这类问题，机床上都会设置温度传感器，其主要作用就是感应数控机床的溫度变化，然后将这种温度差传递给控制系统，实现对机床温度的监视和控制，为后续的监督和调整提供一定的便利。另外，温度传感器还需要设置在电器柜以及数控系统的内部，这些部位的温度一旦超出一定范围，立即发出报警，避免电气元件烧毁。总之，在数控机床内部，温度传感器的作用不仅是感知温度，还具有传递信息和报警的作用，其存在对数控机床起到了很好的保护作用。

1.2压力传感器

和温度传感器相似，压力传感器也是数控机床较为重要的组成部分，压力传感器的作用是将压力信号转换为电信号，根据工作原理的不同，压力传感器可以分为3种：电阻应变式传感器、压电式传感器和压阻式传感器。在数控机床的内部，应用压力传感器监测工作夹紧力，并且和夹紧力的设定值进行对比，如果实际测得的工作夹紧力小于设定值，那么工件就会有松动的现象发生，系统立即发生警报，停止走刀;另外压力传感器还可以对刀切削力的变化进行检测。压力传感器通常还会应用到气压系统、润滑系统以及液压系统中，主要用来检测气路中的压力，并且和设定值相比较，如果气路中的压力小于设定值时，触点就会发出动作，将信号传递给控制系统完成控制操作。

1.3光电传感器

在数控机床中，还有一种较为常见的传感器为光电传感器通，这类传感器的主要作用是感知光能量，常见的光能量有紫外线和红外线，然后光电传感器会将光能转换为电信号。光电式传感器具体的工作原理为：首先测量光感变化，然后将这种光感变化转换为光信号，其内部的光电转换元件会将光信号转换为电信号。在日常生活中，如果有一束光照射到一个物体上的时候，我们可以看做是一种光能量，直接作用到这个物体上，而电子能量在光子能量的作用，其形态就会发生一定的变换，继而产生了电效应，我们将这种常见的物理现象称为光电效应。在日常生活的安全防护和检验领域，光电传感器已经得到了广泛的应用，而且这种技术已经越来越成熟，比如红外线的隐蔽性经常被应用到银行等场合，用作防盗警戒之用。另外，生活中常见的红外线开关也是应用了物体对红外线光束到的反射原理。

2 数控机床主轴变频系统结构与运行模式

2.1主轴电机变频调速原理

专家经过研究确定了主轴的电机转速公式通过对公式进行分析可知，如果极对数保持不变，那么电源频率随着转速的增加而增加。连续调整电源频率，就会实现对电机速度的调整。相对来说，变频器频率调节范围较宽，这也就代表着主轴电机转动速度的条件范围也较宽。提高转速后，还应该考虑转速对绕组和轴承的影响，限定高频率，避免电机过热出现磨损。在国内，交一直一交电压型变频器被广泛的应用到变频调速中，其主要的工作原理就是对转换交流电为直流电，通过滤波、逆变，直流电会转变为可输出的三相交流电。

2.2主轴变频系统构成

主轴变频系统如图2所示，如果将整个被加工件分为两端，那么对于AB段来说，主轴速度一般为1000r/min;而BC段，在电机拖动的作用下，主轴的转动速度会变为恒线速，在连续变化的转速下，电机就实现了高精度切削。在本文介绍的数控系统中，速度信号首先会通过数控装置，然后在经过变频器模拟的给定通道，通过设置输入信号和输出信号，满足数控机场各项操作要求。

3 无速度传感器矢量控制变频器

3.1主轴变频器选型

在所有的主轴变频器中，较为常见的，也是较为简单的变频器为标量控制，其实质为一种电压发生装置，主要负责调解调频过程中的电压变化。主轴变频器较为常见的有2种：线性控制和平方控制。应用标量控制的过程中，因为低频转矩不够，导致变频器稳定性较差，因此，在实际超过过程中，标量控制已经逐渐被矢量控制所取代。矢量控制的工作原理是对一部电机定子电流矢量进行测定和控制，根据磁场方向控制转矩电流和励磁电流，最终实现对转矩的有效控制。具体的过程其实是，分解定子电流矢量，将其分解为产生转矩的电流分量和产生磁场的电流分量，然后分别对其进行控制，同时还需要对这两个分量的相位和幅值进行控制。矢量控制其实质就是将交流电机等效为直流电机，然后分别对速度和磁场进行控制。解耦控制的具体过程就是控制转子磁链，根据转子磁通对定子电流进行分解，最终得到磁场和转矩的分量，然后对其进行坐标转换。和定量控制相比，矢量控制力矩大，一般更适用于保证力矩的场合，但是就目前国内来看，还不能对负载进行自动调整。控制应用更为广泛，一般来说设备出厂时就会设置相应的默认参数，常见根据不同的负载设置不同的参数，一般来说，厂家设置的自定义参数可以应用到不同的操作场合。矢量控制具有以下特点：较好的控制特性、较广的调速范围，但是矢量变换较为复杂，实际控制效果很难达到理论分析结果。

3.2无速度传感器矢量变频器

在常规带速度传感器的传动控制中常见无速度传感器控制，该传感器主要负责检测定子电压和电流，然后通过比对和估计，实现速度传感器所具有的功能。无速度传感器控制可以更为精准的获取转速信息，满足高精度获取信息的要求。无速度传感器控制时，不需要应用检测硬件，有效降低了检测成本，提高了检测的可靠性，另外，无速度传感器的应用有效降低了系统的重量和体积，因此被广泛的应用到数控系统中。提当前，国际上较为常见的无速度传感器矢量变频器品牌有西门子、LC等。这些产品普遍具有以下特点：①不仅具有参数自动识别能力，还具有手动输入能力;②较强的过载能力;③低频高输出转矩;④具有多种保护功能。

3.3电机参数辨识

电机常规参数有额定电流、极数、额定功率，另外定子电阻、空载电流以及互感抗也是常见的常规参数。参数辨识分有两种：静止辨识和旋转辨识，其中静止辨识中，变频器的主要作用是测定转子和定子的漏感抗和电阻，在旋转辨识中，变频器的主要作用是测定空载电流和互感抗.在设定辨识参数的过程中，必须充分注意以下内容：①如果旋转辨识一旦出现过压或者过电流，那么应该调整减速时间;②旋转辨识只能存在在空载中;③进行辨识之前必须将正确的名牌参数输入其中。

4 结语

随着科技的发展，工件加工的精密度越来越高，社会对加床加工的精度要求也越来越高。作为机床来说，对其自身零部件的制作精度的难度也越来越大，机床结构误差基本不会影响机床精度，因此，必须依靠温度、压力以及振动等产生的误差对零件加工误差进行弥补。为了实现这个目标，必须应用相应的感应器对压力、温度振动等进行精准的感应，然后通过动态测量，再利用误差补偿技术对机床零件加工的误差进行实时补偿。传感器的主要工作是对机床误差进行精准的监测和分析，然后分析误差性质以及产生的规律，最终通过建模和补偿实现零件加工的误差补偿。