變頻器在電火花線切割機床上的應用

0 引言

電火花線切割加工是電火花加工的重要組成部分，它是利用金屬線狀工具電極(又稱電極絲)沿著給定的幾何圖形軌跡，利用脈沖放電腐蝕金屬的原理來加工工件。快走絲線切割機床于70年代在我國興起并逐步廣泛應用于加工精度要求高、形狀復雜，特別是模具等金屬件的加工中。

快走絲線切割機床的電氣及控制系統一般分為：微機控制部分、高頻電源部分和絲筒電機控制部分。絲筒電機控制部分控制電機及絲筒，帶動鉬絲作快速正反的啟動運行和停止，并提供各種相應保護功能。其它類型機床電氣控制通常采用繼電器控制方式，也比較實用，但這種控制方式存在著下述一系列的問題：

(1)繼電器接觸器動作頻繁，損耗相對較大;中間轉換控制復雜，出故障可能性高。

(2)電機頻繁正反向全壓啟動，啟動電流大，對絲筒機械部件沖擊大。

(3)接觸器觸點頻繁閉合斷開造成的噪聲大。

這些問題導致的主要后果是整個加工可靠性降低，燒絲等問題增多，這勢必導致二次加工，最終影響產品質量，造成不必要的經濟損失。針對上述存在的問題，故用小功率變頻器來實現原控制方式的改進，其理由主要有以下幾點：

(1)變頻器產品技術成熟、性能可靠，已被廣泛應用于異步電機各控制系統中。

(2)利用變頻器的外接控制輸入端子和反映運行狀態的輸出端子以及強大的可編碼功能，可以根據被控對象和控制方式的不同進行靈活選擇和設定，省去了復雜的中間轉換控制。

(3)電機的啟停時間及電流可分別通過手動編碼或自動設置完成，減少了原方式中起動電流大，機械沖擊大的弊病。

(4)主電路的相序切換通過變頻器內部集成控制電路完成(無觸點切換)。另外變頻器內還設有直流制動功能，并設定當電機轉速為0后，制動過程可自動解除，避免由于操作不當電機所承受的不必要的大電流。

(5)變頻器還可自行彌補電網電壓波動，設置自動延時關機和來電繼續加工等功能，可進一步提高自動化程度。

本機床采用Altivar31系列高性能變頻器，功率范圍從0.18～15KW;無速度傳感器磁通矢量控制;6路可變邏輯輸入端子，3路可配置模擬輸入端子，3路邏輯/模擬輸出端子，提供控制功能和保護功能。

1 走絲機構控制系統

快走絲線切割機床的走絲機構，是影響其加工質量及加工穩定性的關鍵部件。走絲機構的功能是帶動電極絲按一定線速度移動往復運絲，并將電極絲整齊地排繞在儲絲筒上。儲絲筒本身作高速正反向轉動，是利用電動機正反轉來達到的。電機經聯軸器帶動絲筒，再經同步帶帶動絲杠轉動，拖板便作往復運動，拖板移動的行程可由調整換向左右撞塊的距離來達到。機床走絲機構如圖1所示。

2 絲筒變頻調速系統結構

變頻調速系統主要由以下幾個環節構成，系統結構框圖如圖2所示：

(1)主電路

系統功率變換環節采用AD/DC整流電路和IGBT逆變電路。

(2)控制電路

控制電路主要用來接受外來信號和發出控制命令和PWM 波形。

(3)驅動電路

采用IGBT智能功率模塊(IPM)。

(4)保護電路

為了保護動作的快速性和實時監測性，采用了硬件電路加軟件子程序的監控方式，故障發生時如果是屬于電機短路之類的故障，則硬件電路將立即產生信號，關閉波形發生器并在中斷子程序中進行保護設置，并使程序回到初始狀態。

3 變頻調速系統的電路設計

儲絲簡采用三相交流異步電動機拖動，電機速度通過變頻器調速旋鈕進行無極調速

3.1 主電路的設計

三相交流電壓經二極管整流模塊，大電容濾波后送到由6個IGBT組成的三相逆變器，系統功率器件選用第三代IGBT及續流二極管，由逆變器送出的可變頻率的交流電供給電動機調速。

3.2 控制電路的設計

使用DSP作為控制器能最大限度地減少外圍器件的數目，增加系統的穩定性。在本設計中主要使用1MS32OC24Ox DSP的PWM輸出口，及板上A/D口、捕獲接口CAP。DSP的6個PWM信號經過緩沖器反相后送到驅動電路板驅動IPM。控制系統結構圖如圖3所示

對于A/D采樣口的輸入信號做了前期的處理，直接輸入的信號是幅值在0～5V的直流電壓信號，能滿足DSP對輸入模擬信號的要求。交流電機的矢量控制要求對交流電機速度進行采樣。

3.3 驅動電路的設計

在設計中使用IGBT智能功率模塊(IPM)，它是一種大規模集成模塊，不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一起，而且還將過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路包含在里面，并可將故障保護信號送到CPU或DSP進行處理。

3.4 保護電路的設計

IGBT用于電力變換時，容易出現過電壓、過電流等故障，造成器件的損壞，因而IGBT在工作時，必須采取完備的保護措施。這些保護措施主要包括過壓保護、過流保護和過溫保護3部分。IPM內部已經整合了很周密的保護電路，從電流保護、電壓保護到熱保護。

4 結論

電火花線切割加工機床集高效、高精度和高柔性為一體，要求電動機控制系統調速范圍寬、加減速性能好、速度精度高、特殊功能(如高速定位)強。變頻器在走絲機構控制系統中的應用，達到對三相異步電機的無級調速，具有節能、對電網無污染、調速范圍大、調速機械性硬等優點。