1 引言
主轴驱动系统控制数控车床主轴的旋转运动，为车床主轴提供驱动功率以及所需的切削力。目前在数控车床中，主轴驱动常使用交流电动机，直流电动机已逐渐被淘汰，由于受永磁体的限制，交流同步电动机功率做得很大时，电动机成本太高。因此目前在数控机床的主轴驱动中，均采用笼型异步电动机。为了获得良好的主轴特性，设计中采用矢量变频控制的交流主轴电动机，矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，后者具有更高的速度控制精度，在数控车床中无速度传感器的矢量变频器已符合控制要求，因此，本设计中变频器采用无速度传感器的矢量变频器。
2 主轴驱动系统的要求
在切削过程中，工件与刀具的相互作用形成负载转矩。理论上讲，切削功率用于切削金属的剥落和变形，故切削力正比于切削的材料性质和截面积，而截面积由切削深度和走刀量决定。切削转矩则取决于切削力和工件回转半径的乘积，其大小与切削深度、进刀量、工件的材质等因素有关。这使得数控车床主轴系统负载具有如下特点：（１）在大的转速范围内，数控车床允许切削深度与进刀量都是相等的，因而具有恒转矩性质。（２）在高速段，受床身机械强度及振动等影响，速度越高，允许的切削深度和进刀量越小，负载转矩也越小，因此具有恒功率性质。
数控车床要求主轴输出功率大，调速范围足够大，并具有主轴与进给驱动同步控制、准停控制、角度分度控制等控制功能。为满足上述数控要求，首先主轴电动机应具备以下性能：（１）电机功率大，且在调速范围内速度稳定，恒功率调速范围宽；（２）在断续负载下，电机的转速波动要小；（３）加、减速时间短；（４）电动机过载能力强；（５）噪声低、温升低、震动小、寿命长。
3 主轴变频器选用
本设计选用西门子MM440变频器，最大功率可达250kw，选择无速度传感器矢量控制方式。
矢量控制法可使交流电动机变频调速后的机械特性和动态性能足以和直流电动机相比。而无速度传感器的矢量控制变频器不仅能够改善转矩控制的特性，而且能够改善针对各种负载变化产生的不同环境下的速度可控性。将2Hz的矢量变频控制和V/F控制变频进行比较可发现前者具有更强的输出力矩，切削力几乎与正常频段相同。矢量控制模式可提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力。主要具有以下特点：（１）变频器效率 96%至97%；（２）过载能力强，内置制动单元，5分钟内持续时间60秒150%(恒转矩)负载电流过载，或1分钟内持续3秒200%过载；（３）起动冲击电流小于额定输入电流；（４）各种保护齐全。
由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流，因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。电机除了考虑常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还应考虑定子电阻、定子漏感抗、转子电阻、转子漏感抗、互感抗和空载电流。
4 变频器接线
变频器与数控装置的联系通常包括：（１）数控装置至变频器的正反转信号；（２）数控装置至变频器的速度或频率信号；（３）变频器至数控装置的故障显示等状态信号。因此所有关于对变频器的操作和反馈均可在数控面板进行编程和显示。
图1所示为MM440变频器外部接线。其中速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定电压，通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置来控制主轴的速度。在该设计中，变频器AIN1+，AIN1-端子接收来自数控系统的速度模拟量信号，该信号为0-10V模拟电压。DIN1、DIN2端子由数控系统发出的正、反转信号所驱动的继电器进行控制，以实现主轴正反转。通过合理设置变频器参数，实现主轴转速从低速到高速的调速。
图1 MM440变频器外部接线图
5 变频器参数调整
5.1 P1000频率设定
模拟量输入AIN1可接收0-10V，1-20mA或-10V-+10V的信号，该参数缺省值为2，此时选择0-10V范围，对应频率范围0-50HZ/60HZ。
5.2 P1300控制方式设定
将变频器P1300参数设置为20，控制方式则设定为无传感器矢量控制方式。
5.3 电机参数设置
（１）P1120 斜坡上升时间
（２）P1121 斜坡下降时间
（３）P0304 电机额定电压
（４）P0305 电机额定电流
（５）P0307 电机额定功率
（６）P0308 电机额定功率因数
（７）P0310 电机额定频率
（８）P0311 电机额定速度
电机各项额定参数设置应以电机铭牌为准。
5.4 电机识别
将P1910=1后，BOP面板显示A501，表示现在正在做电机辨识计算，应启动变频器ON信号，辨识过程大约3-5分钟。当变频器自动OFF后，表示识别通过。
使用MM440变频器必须进行建模，对电机进行识别。即必须将P1910设置为1。否则运行参数与实际电机模型不符，工作会不正常。交流控制有别于直流控制的特点之一就是需要在控制器里对受控电机进行建模。
6 结束语
使用变频器后，取消了离合器、齿轮等机械变速部分，维护更加方便。不使用变频器进行调速的数控车床一般使用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀，使用变频器后，实现了无级变速，可做到恒线速加工，机床可按指令信号进刀，缩短了加工周期，提高了生产效率；机床速度再现性好，产品质量稳定；且容易实现高速运转，可高效率的加工铝等软工件；但由于速度可调范围大，需要考虑与机械部件匹配防止谐振；由于制动电阻的大小是根据减速频率决定的，应以最繁重的运行模式来选择。
