Инвертор высокоскоростного станочного шпинделя

По заказу известной тайваньской компании в 2015-2020 годах мы разработали инвертор и программное обеспечение для шпиндельного электропривода фрезеровального станка.

Ниже представлены фотографии инвертора, а также его составных частей.

Шпиндельный инвертор в сборе

Шпиндельный инвертор изнутри

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Наша фирма самостоятельно разработала печатные платы и конструкцию инвертора, а также всё необходимое программное обеспечение «под ключ».

  • Спроектирована силовая часть – инвертор и контроллер, пройдены испытания на мощность до 50кВт
  • Написана программа системы управления для шпиндельного синхронного электродвигателя с инкорпорированными магнитами
  • Проведены испытания в различных лабораториях, подтверждающие требования ТЗ на шпиндельный привод
  • Привод проверен на реальном станке ЧПУ при фрезеровке металла
  • В ПО реализованы сервисные функции шпиндельного привода – управление по CANOpen, EtherCAT протоколам, режим позиционирования, автоматическая настройка на двигатель (идентификация параметров), расширенная диагностика и т.п.

 

Особенности системы управления

  • Для высокой частоты тока требуется компенсировать задержку измерения тока и выдачи напряжения на инвертор – иначе теряется устойчивость
  • Для обеспечения быстродействия регуляторов тока на высокой частоте тока обязательно требуется качественный модуль компенсации перекрестных связей осей d, q
  • Для работы в зоне нехватки напряжения инвертора требуется модуль ослабления поля (“размагничивания” осью d) с высоким быстродействием для динамичной работы
  • Для трёхуровневого инвертора с «плавающими» конденсаторами звена постоянного тока требуется специальный модуль ШИМ с программной балансировкой
  • Для двигателя IPM требуется MTPA – чтобы обеспечить наибольший момент при наименьшем токе
  • Индуктивность двигателя сильно изменяется от тока – необходимо делать адаптивные коэффициенты регуляторов тока
  • Микроконтроллер: Texas Instruments TMS320F28377D
  • Датчики тока: шунтовые в фазах на sigma-delta модуляторах AMC1306

Более подробно о разработке смотрите доклад и презентацию в PDF.

 

Модуль инвертора шпиндельного привода HSID спецификация

Item

Параметр

Specification

Значение

Input

Ввод

Main voltage

Напряжение питания

512~750Vdc

=512 – 750 В

Rectifier

Выпрямитель

Built-in diode uncontrolled with precharge circuit

Встроенный диодный неуправляемый с цепью предзаряда

Main Rating Current (A)

Входной номинальный ток

53.4A @ 630Vdc

53.4 А при 630 В в звене постоянного тока

Control voltage

Напряжение управления

24Vdc±10%

=24 В

Control Current

Ток управления

2Adc

=2 А

Startup time

Время включения

Less than 500ms

Менее 500 мс

Output

Выход

PWM Frequency

Частота ШИМ

8-20kHz

8-20 кГц

Max output frequency

Максимальная частота тока двигателя

1500Hz

1500 Гц

Power module

Силовой модуль

MITSUBISHI CM400ST-24S1

Трёхуровневый 12го класса MITSUBISHI CM400ST-24S1

Max voltage(Vmax)

Максимальное напряжение (~В)

343~482.4

Rate Current(Arms/Apeak)

Номинальный ток (А действ./ампл.)

107/151.3

Peak current(Arms/Apeak)

Пиковый ток (А действ./ампл.)

267/377

Current Detector(Peak)

420

Speed variation rate

Девиация скорости

0.1% of maximum speed

0,1% от максимальной

Continuous Rate output

Продолжительная мощность

30KW

30 кВт

30-minute rate output

Мощность за 30 минут

37KW

37 кВт

Maximum Applicable Motor Capacity (kW)

Максимальная мощность подключаемого двигателя

44.4KW

44.4 кВт

communication

коммуникации

network

сеть

EtherCAT, CAN, RS485

USB(2.0)

Connect to PC for Monitoring parameter and saving and test operation.

Подключение ПК для просмотра и настройки параметров.

Encoder feedback

Подключение датчика положения

Power Supply

Питание

5Vdc±5%@1.5A

9Vdc±5%@0.25A (for Hiperface)

Signal type

Тип сигнала

Tamagawa:23bit absolute T-code 5MHz

Digital: incremental AqB with Z (5MHz)

Analog: sine/cosine AqB with Z

ESC input for Analog encoder *1

Тамагава: 23 бит абсолютный 5 МГц

Цифровой инкрементальный 5 МГц

Аналоговый инкрементальный

Внешняя плата для аналогового датчика положения

Encoder output

Выход датчика положения ротора

Buffer

Буферизированный

This function is the Encoder AqB signal direct bypass output. Output use RS422 differential line driver can up to 20M count/s

Это функция байпаса сигнала квадратурного датчика, когда сигнал пропускается и передается в формате RS422 с максимальной частотой 20·106 импульсов в секунду.

Emulated

Эмуляция

This function is the encoder AqB signal entry the DSP then output is controlled by the DSP.

Output use RS422 differential line driver can up to 18M count/s

Эту последовательность генерирует микроконтроллер с чистотой до 18·106 импульсов в секунду.

I/O

Ввод/вывод

Input

Ввод

Photo-coupler Isolated General purpose inputs can use [I1-I10]24V/0.05A

Изолированные сигналы цифрового ввода [I1–I10]

output

Вывод

Photo-coupler Isolated, General purpose outputs can use (O1-O5) 24V/0.1A

Изолированные сигналы цифрового вывода [O1–O5]

 

Velocity command input

Вход задания скорости

1 channel; ±10V (linear range ±8V), BW 1.5kHz

1 канал, ±10 В (линейный диапазон ±8 В), полоса пропускания 1,5 кГц

 

Velocity/Torque output

Выход скорости/моммента

2 channels; ±10V (linear range ±8V), BW 1.5kHz

2 канала, ±10 В (линейный диапазон ±8 В), полоса пропускания 1,5 кГц

 

STO

2in/1Out

2 входа/1 выход

Panel Display

Дисплей

LED

Светодиодный

Charge (Red), STAT (RED/GREEN)

Заряд (красный), Статус (Красный/зелёный)

Protection

Защита

Overload

Перегрузка

Continuous-operation periodic duty

Постоянно включенная

Fuse

Предохранитель

Control power: Build in

Питание цепей управления: встроен

Dynamic brake

Тормозной ключ

Use external dynamic braking circuit in the AFE line module

Используется тормозной ключ в сетевом модуле активного выпрямителя

Overcurrent, overload, main circuit voltage error, heat sink over-

heating, IGBT over-heating, over speed, encoder error, detected, parameter error, etc.

Максимально-токовая, перегрузка, по питанию, перегрев радиатора, перегрев силовых ключей, превышение скорости, ошибка датчика положения, ошибка параметров и т.д.

Motor over temp

Температура двигателя

PT1000/KTY83

Dimension

Размеры

Width

Ширина

150 mm

150 мм

Height

Высота

320mm

320 мм

Depth

Глубина

263mm

263 мм

 

Weight

Вес

<18Kg

<18 кг

Environment

Условия эксплуатации

Operational temperature

Рабочая температура

Ambient temperature 0~40℃

температура окружающей среды от 0 до 40°С

Operational Humidity

Рабочая влажность

Ambient Humidity Lower than 90% RH (non-condensing)

90% без конденсации

Installation altitude

Высота над уровнем моря

below 1000 m sea level

 

1000 м

Vibration (install)

Вибрация

under 0.5G

менее 0,5 g

packaging shipping

упаковка

ISTA 2A

Storage Temperature

Температура хранения

–25℃~+65℃

Structure

Степень защищенности

IP 20

 

Для заказчиков: по контракту с тайваньской компанией мы полноправно разделяем все интеллектуальные права на данную работу, поэтому мы можем адаптировать или продать разработку заинтересованным российским компаниям, либо произвести опытную серию образцов. Серийно данные инверторы нами не выпускаются.