摘要：在BF一3000數(shù)控銑切機數(shù)控系統(tǒng)更新中，應用SIEMENS變頻器MICROMASTER 440實現(xiàn)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(tài)的切換控制，并介紹了每種工作狀態(tài)的參數(shù)設置和調(diào)試方法。
關(guān)鍵詞：變頻器 改造 調(diào)速 多電動機控制
數(shù)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?shù)臈l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(xiàn)在要使用的新系統(tǒng)及元件所能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhuǎn)速變頻控制部分的多數(shù)元件、線路都已老化，故障率極高，且已不能實現(xiàn)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(zhuǎn)，所以要求使用原有交流變頻電動機，以節(jié)省開支。所以在主軸更新中，需要二者的參數(shù)及性能互相匹配，才能實現(xiàn)機床的原有銑軸和5個鉆軸的起停及轉(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)速及頻率范圍相差較大：銑軸電動機工作頻率為 50～250Hz，轉(zhuǎn)速2 910～14 870 r／rain；鉆軸電動機的工作頻率為150—300 Hz，轉(zhuǎn)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(xiàn)這兩種工作狀態(tài)，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(shù)來控制這6臺電動機的起停及轉(zhuǎn)速的兩種組合工作狀態(tài)，在經(jīng)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?qū)崿F(xiàn)三組電動機驅(qū)動參數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(zhuǎn)矩的變頻器。該變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進技術(shù)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(diào)制技術(shù)，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?？梢酝ㄟ^設置不同的參數(shù)實現(xiàn)不同的電動機控制系統(tǒng)，所以在單獨傳動系統(tǒng)和集成自動化系統(tǒng)中應用較廣。
2 控制方案制定及實現(xiàn)
　　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(xiàn)主軸部分銑軸與鉆軸的組合控制。根據(jù)控制要求必須有以下3種互不影響的獨立工作狀態(tài)：
（1）銑軸電動機能夠單獨起停并調(diào)速運行，此時要求變頻器在第一組參數(shù)的控制下工作：
工作頻率50～250 Hz
轉(zhuǎn)速范圍2 910～14 870 r／min
輸出功率2～10 kW（電動機功率因數(shù)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(diào)速運行，此時要求變頻器在第二組參數(shù)的控制下工作：
工作頻率150—300 Hz
轉(zhuǎn)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(shù)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(diào)速運行，此時要求變頻器在第三組參數(shù)的控制下工作：
工作頻率150～300 Hz
轉(zhuǎn)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(shù)0．74）
峰值電流9．5 A
以上3種工作狀態(tài)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(shù)字量輸入介入來控制兩種驅(qū)動圖1兩種不同參數(shù)的電動機切換電動機參數(shù)的切換。在變頻器的運行或準備狀態(tài)階段利用一個或多個外部信號同時改變參數(shù)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(shù)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(shù)應組合形成命令組／數(shù)據(jù)組并加變址。在使用變址時，幾個不同的電動機相關(guān)設定可以存儲在每組參數(shù)中，可以用轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)組來激活（如在數(shù)據(jù)組間的切換）。
　　可應用到CDS命令數(shù)據(jù)組和DDS傳動數(shù)據(jù)組。每個數(shù)據(jù)組有3種獨立設定。這些設定可用特定參數(shù)的變址來確定：
CDS1. CDS3
DDS1.DDS3
用于控制傳動系統(tǒng)和輸入給定值的參數(shù)（連接器和開關(guān)量連接器輸入）分配給命令數(shù)據(jù)組（CDS）?？刂泼詈徒o定值的信號源用BICO技術(shù)互連。傳動數(shù)據(jù)組用BICO參數(shù)P0820和P0821來切換。激活的傳動數(shù)據(jù)組顯示在參數(shù)r0051中。傳動數(shù)據(jù)組可在“準備”狀態(tài)下切換，此項切換約需 50 ms。如圖2所示。
 

3 變頻器的調(diào)試及運行
3．I 電動機基本參數(shù)調(diào)試
由于變頻器的出廠默認設定電動機參數(shù)值與現(xiàn)實中所使用的電動機參數(shù)不匹配，沒有合適的參數(shù)設定。所以必須針對于原電動機銘牌進行電動機的參數(shù)設定，包括電動機數(shù)據(jù)辨識程序的V／f控制的快速調(diào)試的執(zhí)行，都需要通過BOP操作面板來進行。在快速調(diào)試開始前，必須修改的數(shù)據(jù)包括：輸入電源頻率、輸入銘牌數(shù)據(jù)、命令／給定值源、最?。畲箢l率或斜坡上升／斜坡下降時間、閉環(huán)控制方式、電動機數(shù)據(jù)辨識等。具體調(diào)試步驟如下（以銑軸電動機為例，將它的參數(shù)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(shù)過濾設置為所有參數(shù)；PO004=0
（3）調(diào)試參數(shù)過濾設置為快速調(diào)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(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)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(shù)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(guān)系；P1300=0#p#分頁標題#e#
（20）選擇電動機數(shù)據(jù)辨識為用參數(shù)變更；P1910=1
此時會出現(xiàn)報警A0541（電動機數(shù)據(jù)辨識激活）產(chǎn)生，并用下一個電動機啟動命令來測量。
（21）快速調(diào)試結(jié)束；P3900=1
　　此時面板上會出現(xiàn)顯示“busy”，表示控制數(shù)據(jù)（閉環(huán)控制）正在計算然后復制，和參數(shù)一起從RAM送人ROM。在快速調(diào)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(diào)試結(jié)束，啟動電動機數(shù)據(jù)辨識用外部指令啟動電動機數(shù)據(jù)辨識程序（工廠設定DIN1）。此時電流流過電動機，轉(zhuǎn)子自己定位。如電動機數(shù)據(jù)辨識已完成，則數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)辨識激活）自動消失，再顯示P3900。
（23）結(jié)束快速調(diào)速／傳動設定。在以上的調(diào)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(guān)系），得出它是向下調(diào)速，應按照最大數(shù)據(jù)輸入。在電動機數(shù)據(jù)輸入完后，可以根據(jù)外部定義的端子來啟動和調(diào)速。
　　在5臺鉆軸電動機總的參數(shù)輸人時，只須將它的電動機參數(shù)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(shù)輸入時，只須將它的電動機參數(shù)輸入到in002中，即可完成第三組DDS輸入。
3．2 驅(qū)動參數(shù)的切換設置
　　在三組參數(shù)輸入完后，需要進行驅(qū)動參數(shù)的切換設置。帶3種獨立狀態(tài)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(shù)設置，調(diào)試步驟如下：
　　（1）對銑軸電動機驅(qū)動參數(shù)與5個鉆軸電動機的總參數(shù)的切換調(diào)試，首先，將I‘0820與DDS源連接起來，要求用變頻器的數(shù)字量輸入4，來實現(xiàn) DDS1到DDS2驅(qū)動控制參數(shù)的切換。然后通過rO051參數(shù)可以監(jiān)控，檢查是否切換到DDS2參數(shù)上。實際激活的傳動數(shù)據(jù)組（DDS）顯示在參數(shù) r0051中。
（2）對5個鉆軸電動機的總參數(shù)與單個鉆軸電動機參數(shù)的切換調(diào)試，首先，將P0821與DDS源連接起來，要求用變頻器的數(shù)字量輸入5作為外界的切換輸入信號，來控制DDS2到DDS3參數(shù)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(shù)可以監(jiān)控，檢查是否切換到DDS3參數(shù)上。
（3）可以通過r0055．5和r0054．4的位狀態(tài)來檢查所在的驅(qū)動參數(shù)組狀態(tài)。具體的狀態(tài)如圖3所示。
 

　　在控制指令的切換方面，同樣采用多組態(tài)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(xiàn)控制，具體控制方法必須結(jié)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(xiàn)。
4 結(jié)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(xiàn)高轉(zhuǎn)速變速控制，而且要實現(xiàn)多臺不同功率電動機混合多狀態(tài)的控制要求，在工作中較為少見。機床主軸轉(zhuǎn)速變頻控制部分由西門子MICROMASTER 440變頻器作調(diào)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(tài)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(xiàn)更多的控制功能。
參考文獻
1 吳國經(jīng)．數(shù)控機床故障診斷與維修．北京：電子工業(yè)出版社，2004．
2 沈兵．數(shù)控機床與數(shù)控系統(tǒng)的維修技術(shù)實例．北京：機械工業(yè)出版社，2003．