主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统(CNC)的S码速度指令及M码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。数控加工中心对主轴有较高的控制要求，首先要求在大力矩、强过载能力的基础上实现宽范围无级变速，其次要求在自动换刀动作中实现定角度停止(即准停)，这使加工中心主轴驱动系统比一般的变频调速系统或小功率交流伺服系统在电路设计和运行参数整定上具有更大的难度。主轴的驱动可以使用交流变频或交流伺服2种控制方式，交流变频主轴能够无级变速但不能准停，需要另外装设主轴位置传感器，配合CNC系统PMC (指数控系统内置PLC)的逻辑程序来完成准停速度控制和定位停止;交流伺服主轴本身即具有准停功能，其自身的轴控PLC信号可直接连接至CNC系统的PMC，配合简捷的PMC逻辑程序即可完成准停定位控制，且后者的控制精度远远高于前者。

    本文基于主轴伺服驱动系统的原理分析，结合三菱SJ-PF系统交流主轴驱动系统在H400和V400立、卧式2台加工中心上的应用情况，探讨如何利用现代智能化驱动系统的高稳定度、高精度特点及方便的参数调整功能，通过合理的容量选择、电路连接和相关参数调整，使主轴驱动系统满足加工中心的工艺和精度要求。

    一、交流伺服主轴驱动系统工作原理

    交流伺服主轴驱动系统由主轴驱动单元、主轴电动机和检测主轴速度与位置的旋转编码器3部分组成，主要完成闭环速度控制，但当主轴准停时则完成闭环位置控制。由于数控机床的主轴驱动功率较大，所以主轴电动机采用鼠笼式感应电动机结构形式，旋转编码器可以在主轴外安装，也可以与主轴电动机做成一个整体，主轴驱动单元的闭环控制、矢量运算均由内部的高速信号处理器及控制系统实现，其原理框图如图1所示。图中CNC系统向主轴驱动单元发出速度指令驱动单元将该指令与旋转编码器测出的实际速度相比较，经数字化的速度调节器和磁链函数发生器运算，得到转子当前的希望力矩与希望磁链矢量再分别与实际力矩、磁链运算结果相比较，且经过力矩、磁链调节器运算得到等效直流电动机(两相旋转轴系)的转矩电流分量和励磁电流分量换进入两相静止轴系，最后经2/3矢量变换进入三相静止轴系，得到变频装置的三相定子电流希望值，通过控制SPWM驱动器及IGBT变频主回路使负载三相电流跟随希望值，就可以完成主轴的速度闭环控制。

图1 交流伺服主轴驱动单元的原理框图

    三菱主轴驱动单元采用电流型矢量控制方式，以高速数字信号处理器DSP为核心，以大规模专用集成电路、高速功率模块作为实现电路，使驱动单元具有体积小、重量轻、运算速度高、位置控制定向时间短、易于高速准停等诸多优点。该驱动单元能接受数字速度给定，也能接受模拟速度给定，具备过流、过压、过载、欠压、过热、过速等多项保护的监控和诊断功能，具有通讯功能，准停参数及运行参数设置既可以通过PC机预置也可以手动输入，设计紧凑，使用方便。该主轴驱动器在准停定位时，实际上并不接受CNC的速度命令，仅仅按照预设的准停位置、准停速度等参数完成闭环位置控制。

    二、主轴驱动系统的容量选择

    以H400立式加工中心主轴驱动系统的容量选择为例，说明主轴驱动系统容量的选择过程。

    1、选择条件

    （1）初选三菱SJ-PF系列交流主轴驱动系统，主轴电机最高转速为6000r/min，主轴恒扭矩输出的最大转速为1500r/min。
    （2）切削参数(最大铣削力状况)，使用高速钢端面铣刀铣削中碳钢工件时，刀具直径为125mm，最大铣削速度为40m/min。

    2、计算主轴主传动功率

    （1）主轴空载功率。H400型立式加工中心主轴前后支承轴颈的平均直径为70mm，按下式可计算出主轴空载功率，即

    式中：k，c为常数;dm为主轴前后支承轴颈的平均直径;n为主轴恒扭矩输出的最大转速。

    代入数值得P0=0.92kW。

    （2）主轴最大切削功率。当主轴最大切削功率为最大铣削力产生时，主轴的切削负荷。用高速钢端面铣刀铣削中碳钢工件时，最大铣削力可用下式计算：

    设最大铣削速度v=40m/min，可求出最大切削功率

    （3）主轴主传动功率为

    由于数控机床的传动链较短，主传动总效率取较高数值0.85，代入数值可得PE=2.39kW。

    作为整套伺服驱动系统，三菱主轴驱动单元与主轴电动机容量已作过匹配，依据设计功率大于主传动功率的原则，为H400型立式加工中心选择的SJ-PF系列主轴电动机型号为SJ-PF5.5，驱动单元型号为MDS-A-SPJA-55，容量为5.5kW，对应输出功率为3.7kW，额定速度为1500r/min，2台电动机均带有内藏式编码器及冷却风扇。

    三、主轴驱动系统与CNC连接电路

    加工中心采用符合工业PC标准的INCON-M40F型开放体系结构数控系统作为主控制器，该数控系统通过1套交流伺服驱动系统完成加工中心的主轴运动控制，3套伺服进给驱动系统完成X，Y，Z 3个方向的进给联动控制，又通过2块PLC扩展I/O板完成机床动作复杂逻辑控制(包括数控系统工作方式管理、手轮管理、刀库自动换刀、双工作台交换、工作台分度定位停止等)，逻辑控制软件使用C++语言开发，由数控系统的80586CPU实现各子系统的协调管理。以INCON-M40F数控系统为核心的加工中心电气控制系统总体结构如图2所示。

图2 加工中心电气控制系统的总体结构