高性能電腦數值控制工具機交流主軸驅動器之研製(I)

Abstract

工業生產力是衡量一國國力的主要指標之 一,而工具機的發展與自動化的普及更是提升 工業生產力最重要的因素之一.正值產業升級 之際,自行研製高性能之電腦數值控制工具機 實屬必要.在數值控制工具機中,進給驅動器( Feed drive)與主軸驅動器(Spindle drive)扮演著極重 要的角色,驅動器的性能直接影響數值控制工 具機的精度與加工物件的品質.基於多年研究 交流伺服驅動器的經驗,本計畫將研製一高性 能電腦數值控制工具機交流主軸驅動器,發展 其關鍵技術,著重現代控制理論之應用與實作 技術之結合,以落實學術研究於產業之應用.此 電腦數值控制工具機交流主軸驅動器研究之成 果將呈現高功率、高轉速、超精度以及無噪音 的性能特質,其應用除數值控制工具機之外,將 可擴展至諸如鍊鋼、紡織、抽紗、造紙、印刷 、化工等產業所使用之重電機具,對於國家工 業生產力與科技能力之影響甚巨.研究計畫分 為下列三個階段:(1)數位式高功率交流主軸驅 動控制器之研製(第一年):針對輸出功率為20匹 馬力的交流感應馬達,以高性能之數位信號處 理器(DSP)為控制電路之核心,設計並製作一個數 位式高功率交流主軸驅動控制器.由於高功率 的驅動器方契合產業的需求,此一研究階段著 重於驅動功率的提升,將普遍於一般學術研究 的800W驅動級增至15KW,而電源容量將高達28KVA,也因此研製技術異於已往.將運用先進的功率元 件進行脈寬調變功率驅動級的開發,亦將以磁 場導向控制法則用於數位式交流主軸驅動控制 軟體的設計.此階段之研究目標在於建立一以 DSP為基礎的數位式高功率交流主軸驅動控制器 ,此為高性能交流主軸驅動器重要之基礎研究 工作;(2)高轉速交流主軸驅動器之研製(第二年) :此一階段之研究以擴展交流主軸驅動器之轉 速控制範圍為目標,交流主軸驅動器的極速與 額定轉速比預期達4至6倍,同時為提高加工效率 ,操作時間如定向、定位均須大幅縮短.在高轉 速高功率的要求下,交流馬達高轉速的弱磁控 制是此階段的研究重點.另外為克服噪音及抑 制扭矩波動等問題,亦將探討空間向量脈寬調 變(Spacevector PWM)方法以及返覆控制理論( Repetitive control theory)在高功率高轉速交流主軸 驅動器的運用技術;(3)超精度交流主軸驅動器 之研製(第三年):此階段將提高交流主軸驅動器 之極速與額定轉速比至10倍以上,而同時提高轉 速控制的精度,因轉速控制範圍將更為寬廣而 增加控制的難度.如何提高控制與回授信號的 精度及縮短數位控制取樣時間,伴隨控制精度 增加而來的問題,諸如非線性摩擦、負載變化 、參數漂移、 雜訊干擾、數位解析度等,均是 此階段研究的重點,將試由適應控制技術及智 慧控制方法中尋求解決之道.