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數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)有很大的差別。根據(jù)機(jī)床主傳動的工作特點(diǎn)，早期的機(jī)床主軸傳動全部采用三相異步電動機(jī)加上多級變速箱的結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)床結(jié)構(gòu)有了很大的改進(jìn)，從而對主軸系統(tǒng)提出了新的要求，而且因用途而異。在數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控車床占42％，數(shù)控鉆鏜銑床占33％，數(shù)控磨床、沖床占23％，其他只占2％。為了滿足量大面廣的前兩類數(shù)控機(jī)床的需要，對主軸傳動提出了下述要求：主傳動電動機(jī)應(yīng)有2.2～250kW的功率范圍；要有大的無級調(diào)速范圍，如能在1：100～1000范圍內(nèi)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和1：10的恒功率調(diào)速；要求主傳動有四象限的驅(qū)動能力；為了滿足螺紋車削，要求主軸能與進(jìn)給實(shí)行同步控制；在加工中心上為了自動換刀，要求主軸能進(jìn)行高精度定向停位控制，甚至要求主軸具有角度分度控制功能等等。

主軸傳動和進(jìn)給傳動一樣，經(jīng)歷了從普通三相異步電動機(jī)傳動到直流主軸傳動，而隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進(jìn)展，現(xiàn)在又進(jìn)入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時代，目前已很少見到在數(shù)控機(jī)床上有使用直流主軸伺服系統(tǒng)了。但是國內(nèi)生產(chǎn)的交流主軸伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品尚很少見，大多采用進(jìn)口產(chǎn)品。

交流伺服電動機(jī)有永磁式同步電動機(jī)和籠型異步電動機(jī)兩種結(jié)構(gòu)形式，而且絕大多數(shù)采用永磁式同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。而交流主軸電動機(jī)的情況則不同，交流主軸電動機(jī)均采用異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，這是因?yàn)?，一方面受永磁體的限制，當(dāng)電動機(jī)容量做得很大時，電動機(jī)成本會很高，對數(shù)控機(jī)床來講無法接受采用；另一方面，數(shù)控機(jī)床的主軸傳動系統(tǒng)不必像進(jìn)給伺服系統(tǒng)那樣要求如此高的性能，采用成本低的異步電動機(jī)進(jìn)行矢量閉環(huán)控制，*可滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求。但對交流主軸電動機(jī)性能要求又與普通異步電動機(jī)不同，要求交流主軸電動機(jī)的輸出特性曲線（輸出功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系）是在基本速度以下時為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，而在基本速度以上時為恒功率區(qū)域。

交流主軸控制單元與進(jìn)給系統(tǒng)一樣，也有模擬式和數(shù)字式兩種，現(xiàn)在所見到的國外交流主軸控制單元大多都是數(shù)字式的。圖19－17示出了交流主軸控制單元的框圖。
 

圖19－17 交流主軸伺服系統(tǒng)框圖
1－速度指令 2－速度反饋 3－比例積分回路 4－值回路 5－負(fù)載表 6－函數(shù)發(fā)生器
7－V／F變換器 8－微處理器 9－DA強(qiáng)勵磁 10－DA振幅器 11－乘法器 12－電流指令回路
13－電流控制回路 14－PWM控制回路 15－PWM變換器 16－脈沖發(fā)生器 17－四倍回路
18－微分回路 19－F／V變換器 20－同步整流電路

它們的工作過程簡述如下：由數(shù)控系統(tǒng)來的速度指令（如10V時相當(dāng)于6000r/min或4500r/min）在比較器中與檢測器的信號相與之后，經(jīng)比例積分回路3將速度誤差信號放大作為轉(zhuǎn)矩指令電壓輸出，再經(jīng)值回路4使轉(zhuǎn)矩指令電壓永遠(yuǎn)為正。然后經(jīng)函數(shù)發(fā)生器6（它的作用是當(dāng)電動機(jī)低速時提高轉(zhuǎn)矩指令電壓），送到V／F變換器7，變成誤差脈沖（如10V相當(dāng)于200kHz）。該誤差脈沖送到微處理器8并與四倍回路17送來的速度反饋脈沖進(jìn)行運(yùn)算。在此同時，交預(yù)先寫在微處理器部件中的ROM中的信息讀出，分別送出振幅和相位信號，送到DA強(qiáng)勵磁9和DA振幅器10。DA強(qiáng)勵磁回路用于控制增加定子電流的振幅，而DA振幅器用于產(chǎn)生與轉(zhuǎn)矩指令相對應(yīng)的電動機(jī)定子電流的振幅。它們的輸出值經(jīng)乘法器11之后形成定子電流的振幅，送給U相和V相的電流指令回路12。另一方面，從微處理器輸出的U、V兩相的相位（即sinθ和sin（θ-120°））也被送到U相和V相的電流指令回路12，它實(shí)際上也是一個乘法器，通過它形成了U相和V相的電流指令。這個指令與電機(jī)電流反饋信號相與之后的誤差，經(jīng)放大后送至PWM控制回路14，變成頻率為3kHz的脈寬信號。而W相信號則由Iu、Iv兩信號合成產(chǎn)生。上述脈沖信號經(jīng)PWM變換器15控制電動機(jī)的三相交流電流。脈沖發(fā)生器16是一個速度檢測器，用來產(chǎn)生每轉(zhuǎn)256個脈沖的正、余弦波形，然后經(jīng)四倍回路17變成1024脈沖／r。它一方面送微處理器，另一方面經(jīng)F／V變換器19作為速度反饋送到比較器2，并與速度指令進(jìn)行比較。但在低速時，由于F／V變換器的線性度較差，所以此時的速度反饋信號由微分電路18和同步整流電路20產(chǎn)生。