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7.1主轴驱动系统概述
7.1.1 直流主轴驱动系统
从原理上说，直流主轴驱动系统与通常的直流调速系统无本质的区别，但因为数控机床高速、高效、高精度的要求，决定了直流主轴驱动系统具有以下特点：
1)调速范围宽。采用直流主轴驱动系统的数控机床通常只设置高、低两级速度的机械变速机构，电动机的转速由主轴驱动器控制，实现无级变速，因此，它必须具有较宽的调速范围。
2)直流主轴电动机通常采用全封闭的结构形式，可以在有尘埃和切削液飞溅的工业环境中使用。
3)主轴电动机通常采用特殊的热管冷却系统，能将转子产生的热量迅速向外界发散。此外，为了使电动机发热最小，定子往往采用独特附加磁极，以减小损耗，提高效率。
4)直流主轴驱动器主回路一般采用晶闸管三相全波整流，以实现四象限的运行。
5)主轴控制性能好。为了便于与数控系统的配合，主轴伺服器一般都带有D/A转换器、“使能”信号输入、“准备好”输出、速度/转矩显示输出等信号接口。
6)纯电气主轴定向准停控制功能。由于换刀、精密镗孔、螺纹加工等需要，数控机床的主轴应具有定向准停控制功能，而且应由电气控制系统自动实现，以进一步缩短定位时间，提高机床效率。数控机床常用的直流主轴驱动系统的原理框图如图7-1所示。
由图可见，主轴驱动系统类似于直流进给伺服系统，它也是由速度环和电流环构成的双环速度控制系统，通过控制直流主轴电动机的电枢电压实现变速。控制系统的主回路一般采用晶闸管反并联可逆整流电路。系统的工作原理可参阅直流进给伺服系统部分，在此不再赘述。
图7-1的上半部分为励磁控制回路，由于主轴电动机功率通常较大，且要求恒功率调速范围尽可能大，因此，一般采用他励电动机，励磁绕组与电枢绕组相互独立，并由单独的可调直流电源供电。
图中，磁控制回路的电流给定、电枢电压反馈、励磁电流反馈三组信号经比较之后输入至比例一积分调节器，调节器的输出经过电压/相位转换器，控制晶闸管触发脉冲的相位，调节励磁绕组的电流大小，实现电动机的恒功率弱磁调速。
主轴定向准停控制的作用是将主轴准确停在某一固定的角度上，以进行换刀等动作。主轴定向准停的位置检测，可以利用装在主轴上的位置编码器或磁性传感器进行，通过位置闭环，使主轴准确定位在规定的位置上。
图7-2为主轴定向准停控制示意图，当采用位置编码器作为位置检测器件时，为了控制主轴位置，主轴与编码器之间必须是1∶1传动或将编码器直接安装在主轴轴端。当采用磁性传感器作为位置检测器件时，磁性器件应直接安装在主轴上，而磁性传感头则应固定在主轴箱体上。
采用编码器的方式与使用磁性传感器的方式相比，具有定位点在0~360º范围内灵活可调，定位精度高，定位速度快等优点，而且还可以作为主轴同步进给的位置检测器件，因此其使用较广。
与交流伺服驱动一样，交流主轴驱动系统也有模拟和数字式两种型式，交流主轴驱动系统与直流主轴驱动系统相比，具有如下特点：
1)由于驱动系统必须采用微处理器和现代控制理论进行控制，因此其运行平稳、振动和噪声小。
2)驱动系统一般都具有再生制动功能，在制动时，既可将电动机能量反馈回电网，起到节能的效果，又可以加快起制动速度。
3)特别是对于全数字式主轴驱动系统，驱动器可直接使用CNC的数字量输出信号进行控制，不要经过D/A转换，转速控制精度得到了提高。
4)与数字式交流伺服驱动一样，在数字式主轴驱动系统中，还可采用参数设定方法对系统进行静态调整与动态优化，系统设定灵活、调整准确。
5)由于交流主轴电动机无换向器，主轴电动机通常不需要进行维修。
6)主轴电动机转速的提高不受换向器的限制，最高转速通常比直流主轴电动机更高，可达到数万转。交流主轴驱动系统的原理如图7-3所示。其工作过程如下：
图7-3 交流主轴伺服系统原理框图
由CNC来的转速给定指令1在比较器中与测速反馈信号2比较后产生转速误差信号，这一转速误差经比例积分调节器3放大后，作为转矩给定指令电压输出。
转矩给定指令经绝对值回路4将转矩给定指令电压转化为单极性信号。然后经函数发生器6、V/F转换器7，转换为转矩给定脉冲信号。
转矩给定脉冲信号在微处理器8中与四倍频回路17输出的速度反馈脉冲进行运算。同时，预先存储在微处理器ROM中的信息给出幅值和相位信号，分别送到DA振幅器10和DA强励磁9。
DA振幅器用于产生与转矩指令相对应的电动机定子电流的幅值，而DA励磁强化回路用于控制增加定子电流的幅值。两者输出经乘法器11处理后，形成定子电流的幅值给定。
另一方面，从微处理器输出的U、V相位信号sinθ和sin(θ－120º)分别送到U相和V相的电流指令回路12，并在电流指令回路中与幅值给定相乘后产生U相和V相的电流给定指令。
电流给定指令与电流反馈信号比较之后的误差，经放大送到PWM控制回路14，变成固定频率的脉宽调制信号，其中，W相信号由Iu、Iv人两信号合成产生。
上述脉宽调制信号经PWM转换器15，最终控制电动机的三相电流。
作为检测器件的脉冲编码器产生每转固定的脉冲。这一脉冲经四倍频回路17进行倍频后，经F/V转换器19转换为电压信号，提供速度反馈电压。
由于低速时，F/V转换器的线性度较差，速度反馈信号一般还需要在微分电路18和同步整流电路20中作相应的处理。
交流主轴驱动中采用的主轴定向准停控制方式与直流驱动系统相同。
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