1 引言
Unidrive SP驱动器作为艾默生CT新一代高性能可编程交流及及伺服驱动器，集开环，闭环，伺服，再生回馈四种控制模式于一体，使系统设计更为灵活。它体积更小，智能化更高，是世界上*能驱动直线电机的标准驱动器。内置EMC滤波器，标准SD特性**控制，符合EN954-1等级3标准，3个通用内插式SM应用模块接口，外部配置各类I/O，使驱动器真正具有大型PLC功能，担供双工业总线接口，并可任意转换，替代网关。可采用48V应急电源供电，提供12种编码器接口。电压范围200V/400V/575V/690V，功率范围从0.75kw—1.5MW.电主轴是数控机床的重要部件，传统机床主轴是通过传动装置带动主轴旋转而工作的。电主轴是电机内装式主轴单元的简称。其主要特点是将电机置于主轴内部，通过驱动电源直接驱动主轴进行工作，实现了电机、主轴的一体化功能，进行切削加工。它具有结构紧凑，机械效率高，噪声低，振动小，精度高，运行平稳，没有冲击的特点，能够使主轴轴承寿命得到延长。通过Unidrive SP智能与灵活性，可以完成动态高精度同步跟踪，分度，准停，零速锁定等功能。其优异的性能，丰富的功能完全能够满足数控加工中心主轴控制的工艺和精度要求。
2 伺服电主轴系统原理
交流伺服主轴驱动系统由主轴控制器、主轴驱动单元、主轴电动机和检测主轴速度与位置的编码器４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。主轴驱动单元的位置控制与速度控制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或位置指令，驱动单元根据该指令执行相应的速度与位置控制。与此同时，CNC控制器也接收来自于主轴驱动器的分频输出（或终端传感器的输出信号）来对其指令进行校正，当然，此信号也用于系统过程偏差的检测，如速度偏差过大等。
图1 电主轴驱动原理框图（虚线为可选）
为方便起见，我们以一实际的电主轴系统为例,讲述UnidriveSP驱动器在数控机床上的电主轴应用。在该系统中，CNC控制器采用的是日本沙迪克主轴控制器，驱动器使用Undrive SP高性能驱动器＋SM-Universal Encoder Plus选件卡(用于主轴控制器的位置接收及编码器分频输出)，电机使用的是台湾某厂家的JSZD150A-8/3C电动马达，出场配置2048PPR差分增量式编码器。整个系统接线框图如图2：
图2：电主轴系统接线框图
LNCT520i主轴控制器通过PA+/PA-和PB+/PB-正交脉冲信号向Unidrive SP发出速度和位置信号，同时也包含着方向信号。Undrive SP配置有SM-Universal Encoder Plus编码器选件卡，该卡既接收主轴控制器脉冲给定，同时对编码器信号进行分频，反馈到主轴控制器。Unidrive SP工作在闭环模式。系统的性能主要决定于驱动器和电机的性能。下面仔细介绍系统各个组件。
（一）主轴电机：电机型号为JSZD150A-8/3C，内置2048PPR, 5V差分编码器。厂家给定的技术参数与曲线如下:
（二）Unidrive SP变频器＋SM-Universal Encoder Plus分频卡
SM-Universal Encoder Plus分频卡是Unidrive SP 系列变频器的选件，提供如下功能：1．编码器接口PL1，支持12种类型编码器（增量型，高分辨率的SSI，*SinCos，EnDAT和Hiperface），作为速度或位置输入，也可接收上*装置的脉冲指令。2．PL2 的脉冲分频输出，可用于速度或位置同步。
整个系统的接线可参考图2。
3 调试步骤与要点
无论是速度同步跟踪还是零速锁定，整个系统逻辑都非常简单，只需要设置Unidrive SP 13号菜单参数即可，位置指令给定源选择为任一扩展插槽（Slot1,Slot2,Slot3）。因此调试主要工作是根据电机的特性曲线来调整变频器相关参数，以获得驱动系统的*佳性能。为此，需要了解驱动器闭环模式的原理。
图5：Unidrive SP闭环模式的原理框图
在上述系统中，电机特性是整个系统性能保证的基础。为达到*好的控制效果，需要对电机进行参数辨识。可参考表一和图3与图4，在5号菜单参数里依次输入额定电压，额定电流，额定频率，额定转速之后启动电机旋转自整定。因为主轴电机基本都是特种电机，有时会发生自整定失败，此事需要对额定电压，额定频率和额定转速三个参数进行调整，直至整定通过。整定通过之后，不妨在全速范围内让电机空载运行，确保系统无振动，电机电流声音正常。
从图5中，系统还有三个控制环路。*里面的是电流环，其次是速度环，*外是位置环。电机自整定通过后，主要的调试就是调整这三个环的PI参数。首先是电流环，该参数一般采用变频器默认参数，在现场无检测仪器的情况下，调整的依据可简化如下：全速运行，观察电机有无振动或啸叫，如有，则需调整，此种情况一般表明参数过强。进行零速锁定运行，观察锁定动作是否干净利索，锁定是否有力，可以逐步增加电流环PI直至感觉电机轴明显振动，此时适当回调PI至一合适值，顺便也可以观察输出电流是否稳定。电流环PI增益位于#4.13和#4.14。接下来调整速度环，调整原理不进行论述，可以观察#3.02电机反馈速度是否稳定，响应是否足够快。同时零速锁定时锁定力是否足够大，不够大则需调强PI。如下图所示，为系统的阶跃响应图。
图6：系统阶跃响应图 图7:主轴的动态特性采集,followerror允许士3度
*后是调整位置环。位置环主要调整动态位置偏差，一般的数控中心都有位置超差告警。在出厂参数的基础上，一般需要强化位置环P增益。图7是在一个正反转过程中位置差的实际检测结果。可以看出整个过程动态误差不到25个脉冲（4倍频后）。
图9: 位置超差结果 图10:M3攻牙（高速丝锥）
4.UnidriveSP_示波器示意图：
5. 结束语
Unidrive SP作为艾默生CT新一代可作为应用解决方案平台产品，具备优异的控制性能。就UnidriveSP驱动器在数控机床上的电主轴应用而言，变频器内置了位置控制器、刚性数字锁、转轴定位、刚性攻丝等功能，只需要进行简单的参数设置，就可以进行高精度的速度跟踪，零速锁定，分度等功能，方便了用户的使用，同时还可以进行一些简单的位置控制，动态位置精度可以控制的很好，可控制在4个脉冲之内，稳态位置精度可控制在一个脉冲之内。
Unidrive SP驱动器在数控机床上的电主轴应用
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