摘要：本文介紹了艾默生CT新一代高性能EV6000變頻器在伺服電主軸上的調試及長期運行情況。通過多個客戶為期超過半年的使用，它標志著EV6000變頻器產品延續了EV1000，EV2000，產品極高的可靠性，簡單易用性，同時還提供了前所未有的高性能，能夠進行原先伺服主軸驅動器的替代。
關鍵詞：電主軸 零速鎖定 同步跟蹤

1 引言

EV6000 變頻器作為艾默生CT新一代高性能變頻器，采用先進的控制策略實現了真正意義上的高精度磁通矢量轉矩控制，無論是有PG 運行還是無PG 運行，均達到業界領先的控制水準。同步電機驅動與異步電機驅動的一體化，轉矩控制、速度控制、位置控制的一體化，使得EV6000 成為業界少有的具有優異控制性能的一體化驅動器，滿足客戶應用的高性能化需求。電主軸是數控機床的重要部件，傳統機床主軸是通過傳動裝置帶動主軸旋轉而工作的。電主軸是電機內裝式主軸單元的簡稱。其主要特點是將電機置于主軸內部，通過驅動電源直接驅動主軸進行工作，實現了電機、主軸的一體化功能，進行切削加工。它具有結構緊湊，機械效率高，噪聲低，振動小，精度高，運行平穩，沒有沖擊的特點，能夠使主軸軸承壽命得到延長。通過EV6000機床專用版本內置的機床專用功能，可以完成動態高精度同步跟蹤，分度，準停，零速鎖定等功能。其優異的性能，豐富的功能完全能夠滿足數控加工中心主軸控制的工藝和精度要求。

2 伺服電主軸系統原理

交流伺服主軸驅動系統由主軸控制器、主軸驅動單元、主軸電動機和檢測主軸速度與位置的編碼器４部分組成，主要完成閉環速度控制，但當主軸準停時則完成閉環位置控制。主軸驅動單元的位置控制與速度控制均由內部的高速信號處理器及控制系統實現，其原理框圖如圖1所示。圖中CNC系統向主軸驅動單元發出速度指令或位置指令，驅動單元根據該指令執行相應的速度與位置控制。與此同時，CNC控制器也接收來自于主軸電機編碼器的分頻輸出（或終端傳感器的輸出信號）來對其指令進行校正，當然，此信號也用于系統過程偏差的檢測，如速度偏差過大等。

圖1 電主軸驅動原理框圖（虛線為可選）
為方便起見，我們以一實際的電主軸系統為例進行描述。在該系統中，CNC控制器采用的是臺灣LNCT520i主軸控制器，驅動器使用EV6000高性能機床專用版本變頻器＋PGABS選件卡(帶分頻輸出的編碼器接口卡)，電機使用的是山東某廠家的JSZD150A-8/3C電動馬達，出場配置2048RPM差分增量式編碼器。整個系統接線框圖如圖2：

圖2：電主軸系統接線框圖
LNCT520i主軸控制器通過PA+/PA-和PB+/PB-正交脈沖信號向EV6000發出速度和位置信號，同時也包含著方向信號。EV6000配置有PGABS編碼器選件卡，該卡既接收主軸控制器脈沖給定，又接收來自電機的編碼器反饋信號，同時對編碼器信號進行分頻，反饋到主軸控制器。EV6000工作在伺服模式。系統的性能主要決定于驅動器和電機的性能。下面仔細介紹系統各個組件。

（一）主軸電機：電機型號為JSZD150A-8/3C，內置2048RPM, 5V差分編碼器。廠家給定的技術參數與曲線如下:
表一：電機廠家參數


圖3 功率與轉速關系曲線

圖4 力矩與轉速關系曲線
（二）EV6000變頻器＋PGABS測速卡

EV60－PGABS 測速卡是EV6000 系列變頻器的選件，提供如下功能：1．編碼器接口PG1，支持差分ABZ、UVW 信號，作為速度或位置反饋。2．PG1 的脈沖分頻輸出，可用于速度或位置同步。3．脈沖指令接口PG2，可接收上一級裝置的脈沖指令，用于速度或位置同步。

其信號定義如下：

整個系統的接線可參考圖2。EV6000變頻器本體只連接運行信號和復位信號。

3 調試步驟與要點

無論是速度同步跟蹤還是零速鎖定，整個系統邏輯都非常簡單，只需要將在F13組功能碼里將EV6000設置為伺服模式，位置指令給定源選擇為擴展PG給定即可。因此調試主要工作是根據電機的特性曲線來調整變頻器相關參數，以獲得驅動系統的最佳性能。為此，需要了解驅動器伺服模式的原理。

在上述系統中，電機特性是整個系統性能保證的基礎。為達到最好的控制效果，需要對電機進行參數辨識。可參考表一和圖3與圖4，在功能組F80里依次輸入電機額定功率，額定電壓，額定電流，額定頻率，額定轉速之后啟動電機旋轉自整定。因為主軸電機基本都是特種電機，有時會發生自整定失敗，此事需要對額定電壓，額定頻率和額定轉速三個參數進行調整，直至整定通過。整定通過之后，不妨在全速范圍內讓電機空載運行，確保系統無振動，電機電流聲音正常。

圖5：EV6000伺服模式的原理框圖
從圖5中，系統還有三個控制環路。最里面的是電流環，其次是速度環，最外是位置環。電機自整定通過后，主要的調試就是調整這三個參數的PI參數。首先是電流環，該參數一般采用變頻器默認參數，在現場無檢測儀器的情況下，調整的依據可簡化如下：全速運行，觀察電機有無振動或嘯叫，如有，則需調整，此種情況一般表明參數過強。進行零速鎖定運行，觀察鎖定動作是否干凈利索，鎖定是否有力，可以逐步增加電流環PI直至感覺電機軸明顯振動，此時適當回調PI至一合適值，順便也可以觀察輸出電流是否穩定。電流環參數位于F09組。接下來調整速度環，調整原理不進行論述，可以觀察[F01.13]電機實測頻率是否穩定，響應是否足夠快。同時零速鎖定時鎖定力是否足夠大，不夠大則需調強PI。如下圖所示，為系統的階躍響應圖。

圖6：系統階躍響應圖
最后是調整位置環。位置環主要調整動態位置偏差，一般的數控中心都有位置超差告警。在出場參數的基礎上，一般需要強化位置環P參數。圖7是在一個正反轉過程中位置差的實際檢測結果。可以看出整個過程動態誤差不到25個脈沖（4倍頻后）。