變頻器在電火花線切割機(jī)床上的應(yīng)用

摘要：機(jī)床絲筒電機(jī)的控制方式通常采用繼電器控制，但采用此方式控制存在一系列弊端。變頻器是通過對(duì)交流電頻率的控制，達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。文章所述方法充分利用了變頻器的功能特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)起來線路簡(jiǎn)單，可維護(hù)性好。故改用小功率變頻器來實(shí)現(xiàn)原控制方式。
關(guān)鍵詞：變頻器；變頻調(diào)速；IGBT逆變；DSP；PWM

The transducer has application in the W ire cut Electro-discharge Machine
AN Lian—xiang’，HE Xiao-rui ，GAO Li-ping。

（1．Institute of electric engineering automation，Hebei University Technology，Tianjin 3001 30，China；2．Beijing DM—CUT
Machine Tool CO．，Beijing 101307，China；3．Beijing Sanyi Power Electronics Companny，Beijing 102613，China）
Abstract：Relay is always used in electrical motor’s contro1．But this control mode has a series of shortcomings．Transducer is used to control the speed of electrical motor by changing the frequency of AC．This technique takes full advantage of the character of the transducer．The circuitry is simplicity．The maintainability is wel1．So the low power transducer is used to carry out the former control mode．
Key words：transducer；frequency control；lGBT contravariance；DSP；PW M
0 引言
電火花線切割加工是電火花加工的重要組成部分，它是利用金屬線狀工具電極（又稱電極絲）沿著給定的幾何圖形軌跡，利用脈沖放電腐蝕金屬的原理來加工工件。快走絲線切割機(jī)床于70年代在我國(guó)興起并逐步廣泛應(yīng)用于加工精度要求高、形狀復(fù)雜，特別是模具等金屬件的加工中。
快走絲線切割機(jī)床的電氣及控制系統(tǒng)一般分為：微機(jī)控制部分、高頻電源部分和絲筒電機(jī)控制部分。絲筒電機(jī)控制部分控制電機(jī)及絲筒，帶動(dòng)鉬絲作快速正反的啟動(dòng)運(yùn)行和停止，并提供各種相應(yīng)保護(hù)功能。其它類型機(jī)床電氣控制通常采用繼電器控制方式，也比較實(shí)用，但這種控制方式存在著下述一系列的問題：
（1）繼電器接觸器動(dòng)作頻繁，損耗相對(duì)較大；中間轉(zhuǎn)換控制復(fù)雜，出故障可能性高。
（2）電機(jī)頻繁正反向全壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)電流大，對(duì)絲筒機(jī)械部件沖擊大。
（3）接觸器觸點(diǎn)頻繁閉合斷開造成的噪聲大。
這些問題導(dǎo)致的主要后果是整個(gè)加工可靠性降低，燒絲等問題增多，這勢(shì)必導(dǎo)致二次加工，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)上述存在的問題，故用小功率變頻器來實(shí)現(xiàn)原控制方式的改進(jìn)，其理由主要有以下幾點(diǎn)：
（1）變頻器產(chǎn)品技術(shù)成熟、性能可靠，已被廣泛應(yīng)用于異步電機(jī)各控制系統(tǒng)中。
（2）利用變頻器的外接控制輸入端子和反映運(yùn)行狀態(tài)的輸出端子以及強(qiáng)大的可編碼功能，可以根據(jù)被控對(duì)象和控制方式的不同進(jìn)行靈活選擇和設(shè)定，省去了復(fù)雜的中間轉(zhuǎn)換控制。
（3）電機(jī)的啟停時(shí)間及電流可分別通過手動(dòng)編碼或自動(dòng)設(shè)置完成，減少了原方式中起動(dòng)電流大，機(jī)械沖擊大的弊病。
（4）主電路的相序切換通過變頻器內(nèi)部集成控制電路完成（無觸點(diǎn)切換）。另外變頻器內(nèi)還設(shè)有直流制動(dòng)功能，并設(shè)定當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為0后，制動(dòng)過程可自動(dòng)解除，避免由于操作不當(dāng)電機(jī)所承受的不必要的大電流。
（5）變頻器還可自行彌補(bǔ)電網(wǎng)電壓波動(dòng)，設(shè)置自動(dòng)延時(shí)關(guān)機(jī)和來電繼續(xù)加工等功能，可進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度。
本機(jī)床采用Altivar31系列高性能變頻器，功率范圍從0．18～15KW；無速度傳感器磁通矢量控制；6路可變邏輯輸入端子，3路可配置模擬輸入端子，3路邏輯／模擬輸出端子，提供控制功能和保護(hù)功能。
1 走絲機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)
快走絲線切割機(jī)床的走絲機(jī)構(gòu)，是影響其加工質(zhì)量及加工穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件。走絲機(jī)構(gòu)的功能是帶動(dòng)電極絲按一定線速度移動(dòng)往復(fù)運(yùn)絲，并將電極絲整齊地排繞在儲(chǔ)絲筒上。儲(chǔ)絲筒本身作高速正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，是利用電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)來達(dá)到的。電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器帶動(dòng)絲筒，再經(jīng)同步帶帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，拖板便作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，拖板移動(dòng)的行程可由調(diào)整換向左右撞塊的距離來達(dá)到。機(jī)床走絲機(jī)構(gòu)如圖1所示。

2 絲筒變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：
（1）主電路
系統(tǒng)功率變換環(huán)節(jié)采用AD／DC整流電路和IGBT逆變電路。
（2）控制電路
控制電路主要用來接受外來信號(hào)和發(fā)出控制命令和PWM 波形。
（3）驅(qū)動(dòng)電路
采用IGBT智能功率模塊（IPM）。
（4）保護(hù)電路
為了保護(hù)動(dòng)作的快速性和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性，采用了硬件電路加軟件子程序的監(jiān)控方式，故障發(fā)生時(shí)如果是屬于電機(jī)短路之類的故障，則硬件電路將立即產(chǎn)生信號(hào)，關(guān)閉波形發(fā)生器并在中斷子程序中進(jìn)行保護(hù)設(shè)置，并使程序回到初始狀態(tài)。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)
儲(chǔ)絲簡(jiǎn)采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，電機(jī)速度通過變頻器調(diào)速旋鈕進(jìn)行無極調(diào)速
3．1 主電路的設(shè)計(jì)
三相交流電壓經(jīng)二極管整流模塊，大電容濾波后送到由6個(gè)IGBT組成的三相逆變器，系統(tǒng)功率器件選用第三代IGBT及續(xù)流二極管，由逆變器送出的可變頻率的交流電供給電動(dòng)機(jī)調(diào)速。
3．2 控制電路的設(shè)計(jì)
使用DSP作為控制器能最大限度地減少外圍器件的數(shù)目，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在本設(shè)計(jì)中主要使用1MS32OC24Ox DSP的PWM輸出口，及板上A／D口、捕獲接口CAP。DSP的6個(gè)PWM信號(hào)經(jīng)過緩沖器反相后送到驅(qū)動(dòng)電路板驅(qū)動(dòng)IPM。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示

對(duì)于A／D采樣口的輸入信號(hào)做了前期的處理，直接輸入的信號(hào)是幅值在0～5V的直流電壓信號(hào)，能滿足DSP對(duì)輸入模擬信號(hào)的要求。交流電機(jī)的矢量控制要求對(duì)交流電機(jī)速度進(jìn)行采樣。
3．3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)中使用IGBT智能功率模塊（IPM），它是一種大規(guī)模集成模塊，不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還將過電壓、過電流和過熱等故障檢測(cè)電路包含在里面，并可將故障保護(hù)信號(hào)送到CPU或DSP進(jìn)行處理。
3．4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
IGBT用于電力變換時(shí)，容易出現(xiàn)過電壓、過電流等故障，造成器件的損壞，因而IGBT在工作時(shí)，必須采取完備的保護(hù)措施。這些保護(hù)措施主要包括過壓保護(hù)、過流保護(hù)和過溫保護(hù)3部分。IPM內(nèi)部已經(jīng)整合了很周密的保護(hù)電路，從電流保護(hù)、電壓保護(hù)到熱保護(hù)。
4 結(jié)論
電火花線切割加工機(jī)床集高效、高精度和高柔性為一體，要求電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、加減速性能好、速度精度高、特殊功能（如高速定位）強(qiáng)。變頻器在走絲機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，達(dá)到對(duì)三相異步電機(jī)的無級(jí)調(diào)速，具有節(jié)能、對(duì)電網(wǎng)無污染、調(diào)速范圍大、調(diào)速機(jī)械性硬等優(yōu)點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)：
【1】曹鳳國(guó)．電火花加工技術(shù)【M】．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．2005．
【2】李清新．伺服系統(tǒng)與機(jī)床電氣控制【M】．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1994．
【3】趙萬生，劉晉春．實(shí)用電加工技術(shù)【M】．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2002．
【4】蘇彥民，李宏．交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略【M】．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1998．
【5】馮垛生，曾岳南．無速度傳感器矢量控制原理與實(shí)踐【M】．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1998．
【6】王成元，周美元．矢量控制交流伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)【M】．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1995．
【7】陳國(guó)呈．PWM變頻調(diào)速技術(shù)【M】．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1993
原文請(qǐng)點(diǎn)擊下載:

變頻器在電火花線切割機(jī)床上的應(yīng)用