摘要：在BF一3000数控铣切机数控系统更新中，应用SIEMENS变频器MICROMASTER 440实现机床的铣轴、钻轴单独工作及5个钻轴同时工作的3种工作状态的切换控制，并介绍了每种工作状态的参数设置和调试方法。
关键词：变频器 改造 调速 多电动机控制
数控机床的改造并不是完全否定原有的控制过程及控制方法，而且在适当的条件下还需要增加某些功能。所以在实际的改造中，必须充分了解原机床和现在要使用的新系统及元件所能够实现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，原机床主轴转速变频控制部分的多数元件、线路都已老化，故障率极高，且已不能实现变速控制，因此要求更新原有主轴变频控制部分。由于原主轴铣轴及5个钻轴变频电动机能够正常良好的运转，所以要求使用原有交流变频电动机，以节省开支。所以在主轴更新中，需要二者的参数及性能互相匹配，才能实现机床的原有铣轴和5个钻轴的起停及转速控制。
　　由于铣轴电动机的最大输出功率为10 kW，要求能够单独工作；而其他5个钻轴中的每个电动机最大输出功率约为4 kW，要求5个钻轴能够同时起停并能进行调速，峰值功率可达到20 kW；另要求每个钻轴能够单独工作。而且铣轴和5个钻轴的电动机转速及频率范围相差较大：铣轴电动机工作频率为 50～250Hz，转速2 910～14 870 r／rain；钻轴电动机的工作频率为150—300 Hz，转速 8 580～17 600 r／min。所以如果要分别采用一个变频器各自控制，虽然很容易实现这两种工作状态，但是需要购买6台变频器，价格比较昂贵且控制比较繁琐而且占用空间较大。如果能够采用一个变频器分别用两组参数来控制这6台电动机的起停及转速的两种组合工作状态，在经济性和利用率上更加适合。由于西门子MICROMASTER 440系列变频器能够实现三组电动机驱动参数的切换，所以此次主轴部分采用一台变频器控制6台变频电动机实现两种加工工艺的控制要求。综合考虑后确定采用一台22kW变频器来实现主轴部分铣轴与钻轴的控制。
1 MICRoMASTER 440变频器功能介绍
　　MICROMASTER 440是用于控制三相交流电动机速度和转矩的变频器。该变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，具有很高的运行可靠性和功能的多样性。采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术，可使电动机低噪声运行。拥有全面而完善的保护功能，为变频器和电动机提供了良好的保护。可以通过设置不同的参数实现不同的电动机控制系统，所以在单独传动系统和集成自动化系统中应用较广。
2 控制方案制定及实现
　　为满足3种加工工艺的控制要求，主轴部分采用一台22 kW变频器控制6台变频电动机实现主轴部分铣轴与钻轴的组合控制。根据控制要求必须有以下3种互不影响的独立工作状态：
（1）铣轴电动机能够单独起停并调速运行，此时要求变频器在第一组参数的控制下工作：
工作频率50～250 Hz
转速范围2 910～14 870 r／min
输出功率2～10 kW（电动机功率因数0．85）
输出电压90～380 V
峰值电流18．5 A
（2）5台钻轴电动机同时起停并调速运行，此时要求变频器在第二组参数的控制下工作：
工作频率150—300 Hz
转速范围8 580～17 600 r／min
输出功率5×1．9～5×4．04 kW（9．5～20．2 kW）
输出电压190～380 V（电动机功率因数0．74）
峰值电流5×9．5 A（47．5 A）
（3）5台钻轴电动机单独起停并调速运行，此时要求变频器在第三组参数的控制下工作：
工作频率150～300 Hz
转速范围8 580～17 600 r／min
输出功率1．9～4．04 kW
输出电压190～380 V（电动机功率因数0．74）
峰值电流9．5 A
以上3种工作状态在同一时刻只允许有一种运行，互不干扰，这样才能保证变频器的正常运行。这就要求要从外界通过变频器的数字量输入介入来控制两种驱动图1两种不同参数的电动机切换电动机参数的切换。在变频器的运行或准备状态阶段利用一个或多个外部信号同时改变参数组，从而达到一台变频器控制两台及多台电动机，如图1所示。

　　为满足这样的控制要求，必须要求变频器有这样的控制功能，而西门子变频器MICROMASTER 440却可以利用变址参数来完成该功能，而且控制方便。在这种情况下，就功能而论，参数应组合形成命令组／数据组并加变址。在使用变址时，几个不同的电动机相关设定可以存储在每组参数中，可以用转换数据组来激活（如在数据组间的切换）。
　　可应用到CDS命令数据组和DDS传动数据组。每个数据组有3种独立设定。这些设定可用特定参数的变址来确定：
CDS1. CDS3
DDS1.DDS3
用于控制传动系统和输入给定值的参数（连接器和开关量连接器输入）分配给命令数据组（CDS）。控制命令和给定值的信号源用BICO技术互连。传动数据组用BICO参数P0820和P0821来切换。激活的传动数据组显示在参数r0051中。传动数据组可在“准备”状态下切换，此项切换约需 50 ms。如图2所示。
 

3 变频器的调试及运行
3．I 电动机基本参数调试
由于变频器的出厂默认设定电动机参数值与现实中所使用的电动机参数不匹配，没有合适的参数设定。所以必须针对于原电动机铭牌进行电动机的参数设定，包括电动机数据辨识程序的V／f控制的快速调试的执行，都需要通过BOP操作面板来进行。在快速调试开始前，必须修改的数据包括：输入电源频率、输入铭牌数据、命令／给定值源、最小／最大频率或斜坡上升／斜坡下降时间、闭环控制方式、电动机数据辨识等。具体调试步骤如下（以铣轴电动机为例，将它的参数输入到in000中，完成第一组DDS输入）：
（1）将访问级设置为专家级；PO003=3
（2）参数过滤设置为所有参数；PO004=0
（3）调试参数过滤设置为快速调试；P0010=1
（4）输入电源频率设置为50 Hz；POLO0=0
（5）变频器应用设置为恒定转矩；P0205=0
（6）电动机类型设置为异步电动机；P0300=1
（7）电动机额定电压设置为380 V；P0304：380
（8）电动机额定电流设置为18．5 A；P0305=18．5
（9）电动机额定功率设置为10 kW；P0307=10
（10）电动机额定功率因数设置为0．85；P0308=0．85
（11）电动机额定频率设置为250 Hz；P0310=250
（12）电动机额定转速设置为14 870 r／min；P0311= 14 870
（13）电动机冷却设置为自冷式；P0335=0
（14）电动机过载系数设置为150％；P0640=150
（15）选择命令源设置为端子；P0700=2
（16）选择频率给定值设置为模拟输入；PIO00=2
（17）最小频率；P1080=50
（18）最大频率；P1082=250
（19）控制方式设置为线性V／f（电压／频率）关系；P1300=0#p#分页标题#e#
（20）选择电动机数据辨识为用参数变更；P1910=1
此时会出现报警A0541（电动机数据辨识激活）产生，并用下一个电动机启动命令来测量。
（21）快速调试结束；P3900=1
　　此时面板上会出现显示“busy”，表示控制数据（闭环控制）正在计算然后复制，和参数一起从RAM送人ROM。在快速调速完成以后，再显示P3900。在此以后，由于P1910尚未储存，所以不允许传动变频器断电。
（22）快速调试结束，启动电动机数据辨识用外部指令启动电动机数据辨识程序（工厂设定DIN1）。此时电流流过电动机，转子自己定位。如电动机数据辨识已完成，则数据从RAM复制到ROM，面板上再次显示“busy”。当完成后，面板显示的报警A0541（电动机数据辨识激活）自动消失，再显示P3900。
（23）结束快速调速／传动设定。在以上的调试中，因为这6台电动机为进口电动机，型号比较老，而且没有明确的额定转速、额定电压及额定频率，只是给定了范围，所以在输入电动机铭牌上的数据时针对于变频器的出厂默认设置的控制方式（采用的是线性电压／频率V／f关系），得出它是向下调速，应按照最大数据输入。在电动机数据输入完后，可以根据外部定义的端子来启动和调速。
　　在5台钻轴电动机总的参数输人时，只须将它的电动机参数输入到in001中，即可完成第二组DDS输入。依次类推，在单个钻轴电动机参数输入时，只须将它的电动机参数输入到in002中，即可完成第三组DDS输入。
3．2 驱动参数的切换设置
　　在三组参数输入完后，需要进行驱动参数的切换设置。带3种独立状态的电动机组合相当于是带3台不同电动机。所以，可以按照3台电动机来配置切换设置。具体参数设置，调试步骤如下：
　　（1）对铣轴电动机驱动参数与5个钻轴电动机的总参数的切换调试，首先，将I‘0820与DDS源连接起来，要求用变频器的数字量输入4，来实现 DDS1到DDS2驱动控制参数的切换。然后通过rO051参数可以监控，检查是否切换到DDS2参数上。实际激活的传动数据组（DDS）显示在参数 r0051中。
（2）对5个钻轴电动机的总参数与单个钻轴电动机参数的切换调试，首先，将P0821与DDS源连接起来，要求用变频器的数字量输入5作为外界的切换输入信号，来控制DDS2到DDS3参数的切换。将DIN5：P0706[0]设置为99，将P0821设置为722．4。然后同样可以通过 r0051参数可以监控，检查是否切换到DDS3参数上。
（3）可以通过r0055．5和r0054．4的位状态来检查所在的驱动参数组状态。具体的状态如图3所示。
 

　　在控制指令的切换方面，同样采用多组态的控制方法，但由于变频器的外部模拟量输入控制端子只有2个，所以单台钻轴的控制只能与5台钻轴的控制公用1个模拟量控制端子来实现控制，具体控制方法必须结合机床的PLC控制程序，使模拟量控制电位器来回切换来实现。
4 结语
　　此次改造中，由于机床加工工艺控制要求的特殊性，主轴部分的电动机不仅要实现高转速变速控制，而且要实现多台不同功率电动机混合多状态的控制要求，在工作中较为少见。机床主轴转速变频控制部分由西门子MICROMASTER 440变频器作调速器后，在实施的控制方法上更加简单方便，控制功能上更加完善，变频器的利用率得到了很大的提高。为我们以后在多台电动机多工作状态控制问题的解决，提供了新的控制思路，从而可以方便快捷地实现更多的控制功能。
参考文献
1 吴国经．数控机床故障诊断与维修．北京：电子工业出版社，2004．
2 沈兵．数控机床与数控系统的维修技术实例．北京：机械工业出版社，2003．