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主轴驱动系统和主轴电机发展趋势

050810133李阳阳

数控机床主轴驱动系统作为机床的最核心的关键部件之一，其输出性能对数

控机床的整体水平是至关重要的。主轴驱动远不同于一般工业驱动，它不但要求

较高的速度精度，动态刚度，而且要求连续输出的高转矩能力和非常宽的恒功率

运行范围。目前，各主要机床生产厂家和研究单位纷纷把目光投向交流主轴驱动

系统。随着功率电子，计算机技术，控制理论，新材料和电机设计的进一步发展

和完善，矢量控制交流电机主轴驱动系统的性能已经达到甚至超过了直流主轴驱

动系统。交流主轴驱动系统正在逐步取代直流系统。

1交流主轴驱动系统发展趋势

交流主轴驱动系统的逆变器一般基于矢量控制原理，采用正弦波宽调制方

式，功率器件采用ICBT。根据电机类型可分为感应电机主轴驱动系统，永

磁同步电机主轴驱动系统，开头磁阻电机主轴驱动系统。

1.1感应电机交流主轴驱动系统

感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围为

从零点几个千瓦到几百千瓦，广泛应用于各种数控机床上。

感应主轴电机基速以上的放展运动范围可以通过弱磁控制实现。其恒功率

运动范围可达1:5.如果采用必威体育精装版的绕组切换技术，其恒功率运动范围可达1:14.

甚至更宽。目前，感应主轴电机最高转速可达100000r/min以上。尽管感应主轴

电机结构相对简单，但其变频控制器价格却较高。而采用了磁场定向控制技术的

变频器能提供连续的转矩/速度调节能力，较高的精度，运行可行性和较低的运

行费用，因而在一定程度上抵消了整个系统的初始高价格。

感应式主轴电机的控制无一例外地采用磁场定向技术。该技术又分为间接

磁场定向和直接磁场定向两种实现方式，其中间接转子磁场定向控制技术由于较

容易实现而被广为应用。它能提供较高的控制品质，但这种技术过分依赖于电机

的参数，当参数变化时，控制性能将严重下降，遗憾的是，在电机运行过程中，

转子时间常数可以在400%的范围以内变化，因此现代主轴控制器均采用辨识，

估算和自整定技术对参数变化在线补偿。这项技术另一个难题是随着电机速度要

求越来越高，在恒功率弱磁运行时，当转子磁场发生变化，而滑查增益无法动态

补偿时，将引起磁通和转矩的振荡。近年来，随着自适应观测器和微处理器性能

的提高，直接磁场定向控制技术在主轴驱动中有取代间接磁场定向之势。

1.2永磁交流主轴驱动系统

永磁交流主轴电机分为正弦波驱动主轴电机和方波驱动直流主轴电机。此

类主轴电机以转子无功耗，高效率和高功率/转矩密度著称。其低速运行时可获

得更大的功率和转矩，因此在同步攻丝时的伺服锁定运行和快速定向方面有较大

的优势。一般永磁主轴电机功率在10千瓦以下，速度低于8000r/min。但目前转

速在20000-30000r/min之间，功率超过10千瓦的主轴电机已经在制造。永磁主

轴电机在转子上不存在发热元件，显著提高了电机效率，同时高效铁硼材料的应

用，使得永磁主轴电机在所有形式的交流主轴电机中具有最高的效率和最小的体

积。ＰＭＳＭ和ＢＤＣＭ电机均可运行于高速范围。但调磁范围受到一定的限制，

使得速度不能很高。在控制策略方面，ＰＭＳＭ电机的定子绕组经特殊绕制后将

产生正弦反电势，当绕组通入正弦电流后，便可以获得恒定的转矩。但是磁场定

向必须借助于绝对转子位置编码器来实现。近年来提出的无传感器控制为ＰＭＳ

Ｍ主轴电机高速运行提供了另一种选择。ＢＤＣＭ电机定子绕组则使电机产生梯

形波反电势，但同样也需要转子位置传感器来实现定子电流换向。无传感器运行

对ＢＤＣＭ也可实现。永磁交流主轴电机的控制难点主要在于如何拓展弱磁运行

范围。ＰＭＳＭ主轴电机通常采用内装式结构，而在控制上通常以满足最大转矩

弱磁为准则。ＢＤＣＭ电机通常采用最优电流和最优ＰＷＭ控制方式以抑制脉动

转矩，提高电机效率。

1.3开关磁阻型主轴驱动系统

开关磁阻主轴电机以其简单，坚固的机械构造，高速运行能力和体积

小，重量轻，效率高等特性，近年来在工业界引起了广泛的兴趣，尤其是其优秀

的高速度运行能力和价格优势，使其在１０千瓦以下，调速范围至１０００００

ｒ／ｍｉｎ的数控机床主轴驱动应用中，大有与感应主轴电机一争高低之势。开

关磁阻电机定子极上绕有集中绕组，转子则既无绕组也无永磁体。ＳＲＭ电机定

转子的极数不同，广泛采用三相６／４结构。为获得最优平均转矩