专利名称：一种机床主轴用变频器控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机床主轴用变频器控制方法及装置，属于机械工程领域。
背景技术：
随着电子技术的发展，交流电机调速用的变频器性能也日新月异，其调速范围宽、精度高、响应快，并且应用范围日益宽广，并且也越来越专用化，在通用变频器的基础上发展出许多专用机型，如风机空调专用型、注塑机专用型、电梯专用型等。这些专用变频器均针对各自应用领域的特点做出了特殊设计。
机床主轴作为加工机床的核心部件，其运转密切关系着产品质量、生产效率，甚至生产安全。机床主轴是机床上主要的运动部件，同时也是机床振动的主要激振源。一方面，在加工过程往往需要特定的切削速度来保证工艺完成，但是如果该速度刚好落在机床共振频率附近，并由此引发机床振动，则加工无法进行或者导致产品报废。另一方面，机床主轴箱内部的振动也不可忽略，机床的主轴箱虽然经过精心设计，但是变速齿轮在一定速度下运行时相互间撞击并产生耦合振动也是很常见的现象，严重影响生产安全。以上问题反应出机床主轴的一个特点机床主轴在一定速度运转时，可能会带来机床共振或者主轴箱内耦合振动。这一特点严重限制了机床的加工能力，影响生产。现有变频器，在控制系统指定其输出频率和输出电压后都能很好保持系统指定值。正是现有变频器的这一特点使得其在控制机床主轴电机转动时会产生问题，正如前所述，稳定且一定值得转速会带来意想不到的主轴振动问题。
发明内容
本发明针对上述机床主轴振动问题，提供一种操作方便、调制效果好，能够满足机床主轴抑制振动要求的机床主轴用变频器控制方法及装置。
一种机床主轴用变频器控制装置，包括变频器控制电路、逆变器、频率信号调制器、速度信号等效器、速度信号补偿器，其中变频器控制电路的输出连于频率信号调制器的输入，该频率信号调制器的输出既连于与电机相连的逆变器又连于速度信号等效器的输入，该速度信号等效器的输出连于与电机相连的速度信号补偿器的输入，该速度信号补偿器的输出连于变频器的控制电路；其特征在于还包括调制规则设定器，该调制规则设定器分别连于上述频率信号调制器和上述速度信号等效器。
一种如权利要求1所述的机床主轴用变频器控制方法，其特征在于利用调制规则设定器设定的调制规则分别输送到频率信号调制器和速度信号等效器；由频率信号调制器对变频器控制电路输出的频率控制信号按照调制规则进行调制，被调制的频率控制信号一方面输出至逆变器，控制逆变器的输出，使逆变器的输出频率随着频率控制信号的变化而变化，从而完成主轴电机转速的调制，实现避开机床共振频率和主轴箱齿轮耦合振动；另一方面，被调制的频率控制信号输出至速度信号等效器，由速度信号等效器根据频率信号的变化值，以电机极数和电机转速差系数为参数，计算频率信号变化所产生的电机主轴转速变化值并输出至速度信号补偿器，由速度信号补偿器利用该主轴电机转速变化值对电机转速信号进行反向补偿，并输出没有经过调制的转速信号至变频器控制电路；所述调制规则为偏置规则或正弦规则或偏置的正弦规则，其中A)、所说的偏置规则为将频率信号按照指定比例提高或降低；B)、所说的正弦规则为将频率信号按照正弦变化的比例进行调整，该正弦变化幅值和频率可以指定；c)、所说的偏置的正弦规则为偏置规则和正弦规则的总和，即将频率信号按照偏置规则调制后再进行正弦规则调制。
另外，上述一种机床主轴用变频器控制装置中，所述的调制规则设定器内部包括寄存器写电路和与上位机的通信电路，偏置比例和正弦幅值比例以及电机极数和转速差系数可以由上位机通过调制规则设定器设定。
另外，上述一种机床主轴用变频器控制装置中，所述的频率信号调制器和速度信号等效器内部的调制模块可以为A偏置模块，其特征在于将频率信号按照指定比例提高或降低；B正弦模块，其特征在于将频率信号按照指定幅值和频率的正弦变化进行调整。
另外，上述频率信号调制器和速度信号等效器内部的调制模块的工作状态可以是偏置模块单独工作或者正弦模块单独工作，也可以是偏置模块和正弦模块同时工作。
本发明具有如下效果1、由于对变频器的输出频率进行了调制，使得机床转速在一定范围内浮动，可以避免机床主轴引发的机床共振；2、由于对变频器的输出频率进行了调制，机床主轴箱内齿轮转速在一定范围内浮动，使得齿轮的啮合随之不断变化，避免了产生耦合振动的产生；3、本发明方法和装置具有速度信号补偿，对原有控制电路没有影响，且电路简单，成本低。
图1是本发明的一种机床主轴用变频器控制装置的示意图。
图2、图3和图4是本发明的一种机床主轴用变频器控制方法的三个较佳实施流程图。
图5是本发明涉及的频率信号调制器的电路原理图；图6是本发明涉及的速度信号等效器的电路原理图；图7是本发明涉及的速度信号补偿器的电路原理图；具体实施方式
本发明的机床主轴用变频器控制方法及装置，主要是通过调制变频器输出频率从而调制机床主轴转速，从而避免由于机床主轴转动引起的机床共振和机床主轴箱齿轮耦合振动。以下具体介绍本发明涉及方法和装置的具体实施方案。
图2、图3和图4为本发明的一种机床主轴用变频器控制方法的三个较佳实施流程图。
图2中为本发明的一种机床主轴用变频器控制方法的一较佳实施流程，包括如下步骤步骤21如图1所示的变频器控制电路11正常工作，并输出频率信号1；步骤22如图1所示的调制规则设定器16设定频率信号调制器13调制规则为偏置规则，步骤21输出的频率信号被按照偏置规则调制成调制频率信号2；步骤25如图1所示的调制频率信号2控制逆变器12输出调制后的频率3；步骤26如图1所示的电机17输出速度被调制成调制速度7；步骤27如图1所示的速度信号等效器14按照调制规则设定器16所设定的偏置规则对频率信号调制器13传来的频率信号调制变化值4进行速度等效计算产生调制速度变化值5，并将该调制速度变化值5输出到速度信号补偿器15，由速度信号补偿器15对电机17输出的调制速度7进行叠加补偿，产生未调制速度信号6；步骤30变频器控制电路11接收到未调制的速度信号6继续正常工作。
上述步骤21、步骤22、步骤25、步骤26、步骤27、步骤30在机床主轴用变频器工作期间重复执行，直到该变频器停止运转。
图3为本发明的一种机床主轴用变频器控制方法的另一较佳实施流程，包括如下步骤步骤21如图1所示的变频器控制电路11正常工作，并输出频率信号1；步骤23如图1所示的调制规则设定器16设定频率信号调制器13调制规则为正弦规则，步骤21输出的频率信号被按照正弦规则调制成调制频率信号2；步骤25如图1所示的调制频率信号2控制逆变器12输出调制后的频率3；步骤26如图1所示的电机17输出速度被调制成调制速度7；步骤28如图1所示的速度信号等效器14按照调制规则设定器16所设定的正弦规则对频率信号调制器13传来的频率信号调制变化值4进行速度等效计算产生调制速度变化值5，并将该调制速度变化值5输出到速度信号补偿器15，由速度信号补偿器15对电机17输出的调制速度7进行叠加补偿，产生未调制速度信号6；步骤30变频器控制电路11接收到未调制的速度信号6继续正常工作。
上述步骤21、步骤23、步骤25、步骤26、步骤28、步骤30在机床主轴用变频器工作期间重复执行，直到该变频器停止运转。
图4为本发明的一种机床主轴用变频器控制方法的另一较佳实施流程，包括如下步骤步骤21如图1所示的变频器控制电路11正常工作，并输出频率信号1；步骤24如图1所示的调制规则设定器16设定频率信号调制器13调制规则为偏置正弦规则，步骤21输出的频率信号被按照偏置正弦规则调制成调制频率信号2；步骤25如图1所示的调制频率信号2控制逆变器12输出调制后的频率3；步骤26如图1所示的电机17输出速度被调制成调制速度7；步骤29如图1所示的速度信号等效器14按照调制规则设定器16所设定的偏置正弦规则对频率信号调制器13传来的频率信号调制变化值4进行速度等效计算产生调制速度变化值5，并将该调制速度变化值5输出到速度信号补偿器15，由速度信号补偿器15对电机17输出的调制速度7进行叠加补偿，产生未调制速度信号6；步骤30变频器控制电路11接收到未调制的速度信号6继续正常工作。
上述步骤21、步骤24、步骤25、步骤26、步骤29、步骤30在机床主轴用变频器工作期间重复执行，直到该变频器停止运转。
图1为本发明的机床主轴用变频器控制装置一个具体实施案例，它包括变频器控制电路11、逆变器12、频率信号调制器13、速度信号等效器14、速度信号补偿器15、调制规则设定器16以及电机17，其特征在于首先，在变频器控制电路11的频率信号输出端接通频率信号调制器13，将频率信号1输入到频率信号调制器中进行调制。调制规则由调制规则设定器16设定。
其次，将频率信号调制器13的调制频率信号2输出到逆变器12，同时将频率信号调制器13的频率信号调制变化值4输出到速度信号等效器14进行速度等效计算，速度信号等效计算的规则也有调制规则设定器16设定。
最后，逆变器12根据调制频率信号2输出调制频率3至电机17，电机17产生调制速度信号7，调制速度信号7经速度信号补偿器15补偿变成为调制的速度信号6并最终反馈到变频器控制电路11中。
以上所述频率信号调制器13可由图5所示电路实现，其中偏置比例寄存器131和正弦幅值比例寄存器132的值分别由如图1所示的调制规则设定器16给定信号80和81设定。其中，偏置比例寄存器131存放，需要偏置的比例值。同时正弦幅值比例寄存器132为环形寄存器，内部可存储一个正弦波形数据，并可在运算过程中自动移位。当只采用偏置规则时，正弦幅值比例寄存器132全部置零；当只采用正弦规则时，偏置比例寄存器131置零；当采用偏置正弦规则时，偏置比例寄存器131和正弦幅值比例寄存器132都应由调制规则设定器16设定相应值。所设偏置比例值和正弦幅值比例可根据实际使用情况在0至1间进行调整，而正弦波频率也可以在0至200Hz甚至更大范围内调整。
以上所述速度信号等效器14可由图6所示电路实现，其中电机极数寄存器133和转速差系数寄存器134分别由如图1所示的调制规则设定器16给定信号90和91设定。其中，电机极数寄存器133存放主轴电机极数。同时转速差系数寄存器134存放电机转速差系数。速度信号等效器14根据两寄存器133、134内容以及常数60和1计算频率信号调制变化值4所引起的电机转速变化。
以上所述速度信号补偿器15可由图7所示电路实现。该电路为一减法器，将电机转速信号7减去速度信号等效值5，可以得到没有经过调制的电机转速信号6。
以上所述仅为本发明涉及的一种机床主轴用变频器控制方法及装置的一个较佳实施方式，但本发明的实施范围并不局限于此例。
权利要求
1.一种机床主轴用变频器控制装置，包括变频器控制电路、逆变器、频率信号调制器、速度信号等效器、速度信号补偿器，其中变频器控制电路的输出连于频率信号调制器的输入，该频率信号调制器的输出既连于与电机相连的逆变器又连于速度信号等效器的输入，该速度信号等效器的输出连于与电机相连的速度信号补偿器的输入，该速度信号补偿器的输出连于变频器的控制电路；其特征在于还包括调制规则设定器，该调制规则设定器分别连于上述频率信号调制器和上述速度信号等效器。
2.一种如权利要求1所述的机床主轴用变频器控制方法，其特征在于利用调制规则设定器设定的调制规则分别输送到频率信号调制器和速度信号等效器；由频率信号调制器对变频器控制电路输出的频率控制信号按照调制规则进行调制，被调制的频率控制信号一方面输出至逆变器，控制逆变器的输出，使逆变器的输出频率随着频率控制信号的变化而变化，从而完成主轴电机转速的调制，实现避开机床共振频率和主轴箱齿轮耦合振动；另一方面，被调制的频率控制信号输出至速度信号等效器，由速度信号等效器根据频率信号的变化值，以电机极数和电机转速差系数为参数，计算频率信号变化所产生的电机主轴转速变化值并输出至速度信号补偿器，由速度信号补偿器利用该主轴电机转速变化值对电机转速信号进行反向补偿，并输出没有经过调制的转速信号至变频器控制电路；所述调制规则为偏置规则或正弦规则或偏置的正弦规则，其中A)所说的偏置规则为将频率信号按照指定比例提高或降低；B)所说的正弦规则为将频率信号按照正弦变化的比例进行调整，该正弦变化幅值和频率可以指定；C)所说的偏置的正弦规则为偏置规则和正弦规则的总和，即将频率信号按照偏置规则调制后再进行正弦规则调制。
全文摘要
一种机床主轴用变频器控制方法及装置，属于机械工程领域。该方法主要是调制变频器控制电路输出频率信号，从而调制变频器输出频率。同时对机床主轴电机转速信号进行反向调制，使得变频器控制电路不受调制电路的影响。经过调制的变频器输出可以驱动主轴电机转速做一定规律变化从而避开机床共振频率和主轴箱齿轮耦合振动。其装置包括变频器控制电路、逆变器、频率信号调制器、速度信号等效器、速度信号补偿器及调制规则设定器。结构简单，控制方便，能够有效改善机床振动。
文档编号H02P23/04GK101087124SQ20071002283
公开日2007年12月12日 申请日期2007年5月23日 优先权日2007年5月23日
发明者李亮, 何宁, 杨吟飞, 赵威 申请人:南京航空航天大学