1 主軸驅(qū)動系統(tǒng)概述

　　數(shù)控機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)作為機床最核心的關鍵部件之一，其輸出性能對數(shù)控機床的整體水平是至關重要的。主軸驅(qū)動遠不同于一般工業(yè)驅(qū)動，它不但要求較高的速度精度、動態(tài)剛度，而且要求連續(xù)輸出的高轉(zhuǎn)矩能力和非常寬的恒功率運行范圍。目前，各主要機床生產(chǎn)廠家和研究單位紛紛把目光投向交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)。隨著功率電子、計算機技術、控制理論、新材料和電機設計的進一步發(fā)展和完善，矢量控制交流電機主軸驅(qū)動系統(tǒng)的性能已達到甚至超過了直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)。交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)正在逐步取代直流系統(tǒng)。交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)的逆變器一般基于矢量控制原理，采用正弦波寬調(diào)制方式（SPWM），功率器件采用ICBT。根據(jù)電機類型可分為感應電機主軸驅(qū)動系統(tǒng)、永磁無刷同步電機主軸驅(qū)動系統(tǒng)、以及開頭磁阻電機主軸驅(qū)動系統(tǒng)。

2 各類交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)的特性與選用

　　由于不同的機床要求不同的主軸輸出性能（旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動等），因此，主軸選用標準與實際使用需要是緊密相關的?？偟膩碚f，選擇主軸驅(qū)動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷。

　　2.1 感應電機交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)

　　1）電機概述

　　感應電機交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)是當前商用主軸驅(qū)動系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點幾個KW到幾百KW，廣泛地應用于各種數(shù)控機床上。

　　感應電機轉(zhuǎn)子結(jié)構一般為籠型。由于籠型電機的結(jié)構簡單，轉(zhuǎn)動慣量低，并能于高溫和高速的條件下長時間運行，其價格遠低于同樣速度和功率范圍的直流電機，而功率和體積比卻是直流電機的兩倍，同時其起動電流不再受換向器的限制。

　　主軸電機定子繞組通常采用三個熱傳感器以防止過載。籠導條通常由銀或銅做成，并盡量加寬轉(zhuǎn)子糟長寬比以獲得更高的效率，減少轉(zhuǎn)子發(fā)熱和獲得更高的速度。

　　感應主軸電機基速以上的放展運動范圍可以通過弱磁控制實現(xiàn)。其恒功率運動范圍可達到1：5。如采用最新的繞組切換技術，其恒功率運動范圍可達到1：14,，甚至更寬。目前，感應主軸電機最高轉(zhuǎn)速可達100000r/min以上。

盡管感應主軸電機結(jié)構相對簡單、可行。但其變頻控制器價格卻較高。而采用了磁場定向控制技術的變頻器能提供連續(xù)的轉(zhuǎn)矩/速度調(diào)節(jié)能力、較高的精度、運行可行性和較低的運行費用，因而在一定程度上抵消了整個系統(tǒng)的初始高價格。

　　2）控制策略

　　感應式主軸電機的控制無一例外地采用磁場定向技術。該技術又分為間接磁場定向和直接磁場定向兩種實現(xiàn)方式，其中間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制技術由于較易實現(xiàn)而被廣為應用。它能提供較高的控制品質(zhì)，但這種技術過分依賴于電機的參數(shù)，當參數(shù)變化時，控制性能將嚴重下降，遺憾的是，在電機運行過程中，轉(zhuǎn)子時間常數(shù)可以在400%的范圍內(nèi)變化，因此現(xiàn)代主軸控制器均采用辨識、估算和自整定技術對參數(shù)變化在線補償。這項技術另一個難題是隨著電機速度要求越來越高，在恒功率弱磁運行時，當轉(zhuǎn)子磁場發(fā)生變化，而滑差增益無法動態(tài)補償時，將引起磁通和轉(zhuǎn)矩的振蕩。近年來，隨著自適應觀測器和Deatt-beat觀測器的應用以及微處理器性能的提高，直接磁場定向控制技術在主軸驅(qū)動中有取代間接磁場定向之勢。

　　2.2 內(nèi)裝式主軸電機

　　簡稱電主軸，它取消了傳統(tǒng)的皮帶及齒輪傳動，采用內(nèi)裝式VAC交流變頻寬速電機和主軸聯(lián)為一體的直接驅(qū)動，即所謂的零傳動。可以實現(xiàn)更高的速度、精度、效率。結(jié)構緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪音低、響應快，易十實現(xiàn)主軸定位，是高速主軸的理想結(jié)構。但也需解決很多技術問題。一是主軸電機要功率大、體積小，既要有很寬的恒功率區(qū)，又要保持一定的輸出扭矩;其次，電機也是一個很大的熱源，必須研究減少電機發(fā)熱和減少主軸單兒熱變形的技術。

　　內(nèi)裝式主軸電機的使用范圍是在對加土質(zhì)量、精度和穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)提出很高要求，并要求最短起動時間的場合。內(nèi)裝式主軸電機是近10幾年出現(xiàn)的新技術。國外已廣泛使用十數(shù)控機床上。例如，西門子公司生產(chǎn)的采用液體冷卻交流籠式感應電機的IPH2型內(nèi)裝主軸電機(帶套筒型)最大轉(zhuǎn)速達到10000r/min，轉(zhuǎn)矩達到750 N m，恒功率范圍寬達1: 16。電主軸是數(shù)控機床實現(xiàn)高速、超高速加土的必然結(jié)構。

　　2.3 其它交流電機主軸驅(qū)動系統(tǒng)

　　1)永磁交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)

　　永磁交流主軸電機分為正弦波驅(qū)動(PMSM)主軸電機和方波驅(qū)動無刷直流(BDCM)主軸電機。此類主軸電機以轉(zhuǎn)子無銅耗、高效率和高功率/轉(zhuǎn)矩密度著稱。其低速運行時可獲得更大的功率和轉(zhuǎn)矩，因此在同步功妊時的伺服鎖定運行和快速定向方}自}有較大的優(yōu)勢。一般永磁主軸電機功率在lOkW以下，速度低于8000r/min。但目前轉(zhuǎn)速在20000~30000r/min之間，功率超過lOkW的主軸電機已在制造。永磁主軸電機在轉(zhuǎn)子上不存在發(fā)熱兒件，顯著提高了電機效率，同日寸高性能欽鐵硼材料的應用，使得永磁主軸電機在所有形式的交流主軸電機中具有最高的效率和最小的體積。PMSM和BDCM電機均可運行十高速范圍。但弱磁范圍受到一定限制，使速度不能很高。

　　在控制策略方面，PMSM電機的定子繞組經(jīng)特殊繞制后將產(chǎn)生正弦反電勢，當繞組通入正弦電流后，便可獲得恒定的轉(zhuǎn)矩。但是磁場定向必須借助十絕對轉(zhuǎn)子位置編碼器來實現(xiàn)。近年提出的無傳感器控制為PMSM主軸電機高速運行提供了另一種選擇。BDCM電機定子繞組則使電機產(chǎn)生梯形波反電勢，但同樣也需要轉(zhuǎn)十位置傳感器來實現(xiàn)定子電流煥向。無傳感器運行對BDCM也可實現(xiàn)。

　　永磁交流主軸電機的控制難點主要在十如何拓展弱磁運行范圍。PMSM主軸電機通常采用內(nèi)裝式結(jié)構，而在控制上通常以滿足最大轉(zhuǎn)矩弱磁為準則。BDCM主軸電機通常采用最優(yōu)電流和最優(yōu)PWM控制方式以抑制脈動轉(zhuǎn)矩，提高電機效率。

　　2)開關磁阻型主軸驅(qū)動系統(tǒng)

　　開關磁阻電機(SRM)以其簡單、堅固的機械構造、高速運行能力和體積小、重量輕、效率高等特性，近年來在土業(yè)界引起了少’一泛的興趣，尤其是其優(yōu)秀的高速度運行能力和價格優(yōu)勢，使其在10kW以下，調(diào)速范圍至100000r/min的數(shù)控機床主軸驅(qū)動應用中，大有與感應式主軸電機一爭高低之勢。

　　開關磁阻電機定子極上繞有集中繞組，轉(zhuǎn)子則既無繞組也無永磁體。SRM電機定轉(zhuǎn)子的極數(shù)不同，廣泛采用三相6/4結(jié)構。為獲得最優(yōu)平均轉(zhuǎn)矩，氣隙需要精確控制并使極弧與氣隙之比在25~30之間。SRM主軸電機的結(jié)構通常與控制策略和功率變換器同日寸考慮，其三者間的牽制作用要比感應電機和永磁電機強。通過適當?shù)慕嵌任恢每刂?，SRM可容易地獲得1:3的恒功率運行范圍。

　　在控制策略方面，當電機低十基速以下運行時，常采用電流斬波控制方式，以避免過大的電流和磁鏈值，取得恒轉(zhuǎn)矩機械特性。同時為獲得最佳效率和減少轉(zhuǎn)矩諧波，SRM主軸驅(qū)動系統(tǒng)通常采用自適應控制、最優(yōu)控制和預測控制技術來控制開頭模式。而在基速以上的弱磁運行范圍，SRM常采用角度位置控制方式，通過導通角B的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)調(diào)速目的。SRM的主要不足在十低速時的高諧波轉(zhuǎn)矩和高噪聲。而SRM主軸電機主要運行十高速恒功率區(qū)域，因此影響并不明顯。