CN103921173B - 变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法，通过获取检测变频调速数控机床主轴电机输出功率所需要的基础数据和主轴电机空载功率与频率的表达式，只需在线测取变频调速数控机床主轴电机在加工过程中的实时输入功率、输入电压以及供电频率，即可实时地在线检测出主轴电机的输出功率。其在线检测过程简单易操作，且对现有变频调速数控机床普遍适用。

Description

变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法

技术领域

本发明属于机床节能技术领域，涉及一种变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法。

背景技术

随着机械加工能量效率的研究和应用正在全球迅速兴起，需要分析机床各组成部分或环节的能量损耗。在进行机床能耗试验、机床电机效率试验以及研究机床节能技术时，都需要检测机床主轴电机输出功率的大小。由于机床主轴电机已与机床固联，因而想要直接检测主轴电机的输出功率非常困难。

数控机床是数字控制机床(Computernumericalcontrolmachinetools)的简称，数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床。目前我国变频调速的数控机床使用量愈来愈大，正逐步淘汰普通机床。

普通机床电机输出功率的LKP检测方法，解决了异步电机拖动的普通机床主轴电机输出功率的检测问题，在机床界得到了较多的引用和应用。但是由于变频调速数控机床中，变频器供电的主轴电机的功率损耗除由标准的正弦交流电所引起的各项损耗外，还包括由谐波电流所引起的一些附加损耗组成；在变频调速过程中，供电频率的变化，还将导致电机阻抗、机械损耗等发生变化；LKP检测方法没有考虑谐波损耗以及由供电频率改变引起的变化，导致该方法无法适用变频调速数控机床。因此，如何快速有效地对变频调速数控机床主轴电机输出功率进行在线检测，是目前变频调速数控机床节能技术研究领域亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法，通过测量主轴电机的输入功率、电压和频率并结合主轴电机额定值和空载值，便可在线检测主轴电机在不同状态下的输出功率，以解决现有技术中难以有效地对变频调速数控机床主轴电机输出功率进行在线检测的问题。

为解决上述技术问题，实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法，包括以下步骤：

1)获取检测变频调速数控机床主轴电机输出功率所需要的基础数据：包括主轴电机的基频f_N、额定电压U_N、额定功率P_N、额定效率η_N、变频器对电机的补偿电压ΔU；

2)获取基频下调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₁(f)，以及基频上调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₂(f)，f为变频器对主轴电机的供电频率；

3)实时测量变频调速数控机床主轴电机在加工过程中的输入电压U_a、供电频率f_a以及输入功率P_i；

4)由上述数据计算得到主轴电机在当前状态下的空载功率P_0a以及参数b；

5)计算得到当前状态下变频调速数控机床主轴电机的输出功率P₂，并将输出功率P₂作为变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测的输出；

$P_2=\frac{-P_N+\sqrt{{P_N}^2+4b(P_i-P_{0a})}}{2b}{P}_N.$

作为上述方法的一种具体实施方式，所述步骤4具体为：所述主轴电机在当前状态下的空载功率P_0a的计算公式为：

$P_{0a}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{01}\left(f_a\right)*{\left(\frac{U_a}{\frac{f_a}{f_N}(U_N-\mathrm{\&Delta;}U)+\mathrm{\&Delta;}U}\right)}^2& (f_a\&le;f_N)\\ P_{02}\left(f_a\right)*{\left(\frac{U_a}{U_N}\right)}^2& (f_a<f_N)\end{array}\right.;$

所述参数b的计算公式为：

$b=\{\begin{array}{cc}\&lsqb;P_N(\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_N}-1)-P_{01}\left(f_N\right)\&rsqb;*{\left(\frac{\frac{f_a}{f_N}(U_N-\mathrm{\&Delta;}U)+\mathrm{\&Delta;}U}{U_a}\right)}^2& (f_a\&le;f_N)\\ \&lsqb;P_N(\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_N}-1)-P_{01}\left(f_N\right)\&rsqb;*{\left(\frac{U_a}{U_N}\right)}^2& (f_a>f_N)\end{array}.$

作为上述方法的另一种具体实施方式，所述步骤4具体为：所述主轴电机在当前状态下的空载功率P_0a的计算公式为：

$P_{0a}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{01}\left(f_a\right)& (f_a\&le;f_N)\\ P_{02}\left(f_a\right)& (f_a>f_N)\end{array}\right.;$

所述参数b的计算公式为：

$b=P_N(\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_N}-1)-P_{01}\left(f_N\right).$

作为上述方法的另一种具体实施方式，所述步骤2具体为：获取电机在不同频率下的空载功率，通过曲线拟合的方法获取所述基频下调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₁(f)，以及所述基频上调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₂(f)。

作为上述方法的另一种具体实施方式，所述步骤2具体为：测量机床在电机空载时，不同频率下的主轴电机输入功率，以该功率值近似代替主轴电机的空载功率值，通过曲线拟合的方法获取所述基频下调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₁(f)，以及所述基频上调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₂(f)。

作为上述方法的另一种具体实施方式，所述步骤2具体为：获取主轴电机在基频f_N时的空载功率与实测输入电压获取主轴电机在最小工作频率f_min下的空载功率与实测输入电压

将f_min,f_N,U_N,ΔU带入公式，得到主轴电机在最小工作频率f_min下的电压

$U_{{\mathrm{Nf}}_{min}}=\frac{f_{min}}{f_N}(U_N-\mathrm{\&Delta;}U)+\mathrm{\&Delta;}U;$

所述基频下调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₁(f)的计算公式为：

$P_{01}\left(f\right)=P_{0f_{\min }}{\left(\frac{U_{{\mathrm{Nf}}_{\min }}}{U_{{\mathrm{af}}_{\min }}}\right)}^2-(P_{0f_N}{\left(\frac{U_{{\mathrm{af}}_N}}{U_N}\right)}^2-P_{0f_{\min }}{\left(\frac{U_{{\mathrm{Nf}}_{\min }}}{U_{{\mathrm{af}}_{\min }}}\right)}^2)(1-\frac{f^2}{{f_N}^2});$

所述基频上调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₂(f)的计算公式为：

$P_{02}\left(f\right)=P_{0f_N}{\left(\frac{U_{{\mathrm{af}}_N}}{U_N}\right)}^2\left(\frac{{f_N}^2}{f^2}\right)+(P_{0f_N}{\left(\frac{U_{{\mathrm{af}}_N}}{U_N}\right)}^2-P_{0f_{\min }}{\left(\frac{U_{{\mathrm{Nf}}_{\min }}}{U_{{\mathrm{af}}_{\min }}}\right)}^2)(\frac{{f_N}^2}{f^2}-\frac{f^2}{{f_N}^2}).$

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明提供的变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法，只需在线测量变频调速数控机床主轴电机在加工过程中的实时输入功率、输入电压以及供电频率，即可检测出主轴电机输出功率的实时数据，其在线检测过程简单易操作，且能在现有变频调速数控机床普遍适用。

2、本发明提供的变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法，电机的基频、额定电压、额定功率、额定效率可直接通过机床电机铭牌查得或向主轴电机生产厂家索取，变频器对电机在低频时的补偿电压也可从变频器说明书中获取。而主轴电机空载功率与供电频率的表达式的获取方法很多且都非常简单，提高了本发明方法的可操作性；并且，对于同一型号的电机，其基础数据一经获取则可以延续使用，一劳永逸，无需在后期进行其输出功率在线检测之前再次获取。由此可见本发明方法简单易行，容易被技术人员掌握。

3、本发明提供的变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法，用本发明方法检测到的变频调速数控机床主轴电机在加工过程中的输出功率值，与功率仪测定值之间的误差不超过6％，误差值在工程应用范围之内，具有很好的指导、参考价值。

4、本发明提供的变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法，可直接应用于变频调速数控机床能量效率获取、能效评估、能耗监控、能量管理、节能技术研究中，具有较广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明变频调速数控机床主传送系统示意图。

图2为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

变频调速数控机床主传送系统由变频器、主轴电动机和主轴传动系统三部分组成，如图1所示，P_in为输入变频器的总功率，P₁为输入主轴电机的总功率，P₂为主轴电机的输出功率，P_c为输入给加工系统的总功率。主轴传动系统将主轴电机的能量传递给加工系统，促使执行元件(刀具或工件)运动。加工系统指由刀具、工件等组成的系统，加工过程是指加工系统对工件进行加工的过程，这一过程会引起主传动系统的能量损耗发生变化。因为机床主轴电机已与机床固联，所以想要测定主轴电机的输出功率P₂比较困难。本发明提出了一种变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法，根据所建立的主轴电机空载功率与供电频率的理论表达式，以事先获取的机床电机的基频、额定电压、额定功率、额定效率等数据为基础，加工过程中只需测取机床电机在生产现场的实时输入功率、输入电压以及供电频率，即可检测出机床主轴电机输出功率的实时数据。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

1.主轴电机空载功率与供电频率表达式的获取方法。

变频调速数控机床中主轴电机的空载功率主要由定子铜耗、转子铜耗、铁心损耗、机械损耗、杂散损耗以及谐波损耗组成，但这些数据均无法直接测取。本发明方法可以通过以下三种方法建立相应的表达式。

①获取电机在不同频率下的空载功率，通过曲线拟合的方法获取所述基频下调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₁(f)，以及所述基频上调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₂(f)。具体实施时，可以直接向主轴电机生产厂家索取或测量电机在不同频率下的空载功率，获取的方法简单，且提高了本发明方法的可操作性。

②测量机床在电机空载时不同频率下的主轴电机输入功率，以该功率值近似代替主轴电机的空载功率值，通过曲线拟合的方法获取所述基频下调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₁(f)，以及所述基频上调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₂(f)。

③获取主轴电机在基频f_N时的空载功率与实测输入电压获取主轴电机在最小工作频率f_min下的空载功率与实测输入电压

将f_min,f_N,U_N,ΔU带入公式，得到主轴电机在最小工作频率f_min下的电压

$U_{{\mathrm{Nf}}_{min}}=\frac{f_{min}}{f_N}(U_N-\mathrm{\&Delta;}U)+\mathrm{\&Delta;}U;$

所述基频下调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₁(f)的计算公式为：

$P_{01}\left(f\right)=P_{0f_{\min }}{\left(\frac{U_{{\mathrm{Nf}}_{\min }}}{U_{{\mathrm{af}}_{\min }}}\right)}^2-(P_{0f_N}{\left(\frac{U_{{\mathrm{af}}_N}}{U_N}\right)}^2-P_{0f_{\min }}{\left(\frac{U_{{\mathrm{Nf}}_{\min }}}{U_{{\mathrm{af}}_{\min }}}\right)}^2)(1-\frac{f^2}{{f_N}^2});$

所述基频上调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₂(f)的计算公式为：

$P_{02}\left(f\right)=P_{0f_N}{\left(\frac{U_{{\mathrm{af}}_N}}{U_N}\right)}^2\left(\frac{{f_N}^2}{f^2}\right)+(P_{0f_N}{\left(\frac{U_{{\mathrm{af}}_N}}{U_N}\right)}^2-P_{0f_{\min }}{\left(\frac{U_{{\mathrm{Nf}}_{\min }}}{U_{{\mathrm{af}}_{\min }}}\right)}^2)(\frac{{f_N}^2}{f^2}-\frac{f^2}{{f_N}^2}).$

如果对主轴电机的输出功率检测结果精度要求不高，则可省略对主轴电机输入电压的测量，得到主轴电机在当前状态下的空载功率P_0a的另一种计算公式为：

$P_{0a}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{01}\left(f_a\right)& (f_a\&le;f_N)\\ P_{02}\left(f_a\right)& (f_a>f_N)\end{array}\right.;$

参数b的另一种计算公式为：

$b=P_N(\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_N}-1)-P_{01}\left(f_N\right).$

2、加工过程中主轴电机输出功率的在线检测步骤，如图2所示：

1)获取检测变频调速数控机床主轴电机输出功率所需要的基础数据：包括主轴电机的基频f_N、额定电压U_N、额定功率P_N、额定效率η_N、变频器对电机的补偿电压ΔU；

2)获取基频下调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₁(f)，以及基频上调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₂(f)，f为变频器对主轴电机的供电频率；

3)实时测量变频调速数控机床主轴电机在加工过程中的输入电压U_a、供电频率f_a以及输入功率P_i；

4)由上述数据计算得到主轴电机在当前状态下的空载功率P_0a以及参数b；

5)计算得到当前状态下变频调速数控机床主轴电机的输出功率P₂，并将输出功率P₂作为变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测的输出；

$P_2=\frac{-P_N+\sqrt{{P_N}^2+4b(P_i-P_{0a})}}{2b}{P}_N.$

具体实施时，步骤1可通过查看电机铭牌或向电机生产厂家咨询主轴电机的基频f_N、额定电压U_N、额定功率P_N、额定效率η_N；查看变频器说明书，可获得变频器对电机的补偿电压ΔU。获取数据的方法非常简单，并且，对于同一型号的电机，其基础数据一经获取则可以延续使用，一劳永逸，无需在后期进行其输出功率在线检测之前再次获取。由此可见本发明方法简单易行，容易被技术人员掌握。步骤3中可在变频调速数控机床主轴电机的输入端接入功率分析仪，通过功率分析仪实时测量主轴电机的输入电压U_a、供电频率f_a以及输入功率P_i。步骤5可以将P_N,b,P_i,P_0a输入到计算机中，由计算机直接输出得到主轴电机的输出功率，从而实现对主轴电机输出功率的在线检测功能，利用计算机对主轴电机输出功率的检测，耗时短，效率高。

为了检验本发明的准确性，利用日置HOKI3390C功率分析仪、7.5KW的ABB变频电机、西门子MM440变频器、CZ20型磁粉制动器、ZH07-B型转矩转速传感器建立了变频器-变频电机负载试验平台。西门子MM440变频器输出端与ABB变频电机的输入端连接，ABB变频电机输出轴与ZH07-B型转矩转速传感器通过联轴器联接，ZH07-B型转矩转速传感器输出轴与CZ20型磁粉制动器通过联轴器联接。日置HOKI3390C功率分析仪连接变频器输出端(即变频电机输入端)，测量变频电机的输入电压、频率、功率等数据；磁粉制动器为变频电机提供负载(即变频电机的输出功率)。在此实验平台上，采用本发明方法在线检测其在模拟加工过程中电机的输出功率，其过程如下：

1-1).获取QABP132M4A型ABB变频电机的基础数据：

首先，阅读电机说明书，获取所需要的基础数据，如表1所示，获取了主轴电机在20个频率下的空载功率，数据如表2所示。

表1电机基础数据

电机型号	基频	额定电压	额定功率	效率	变频器补偿电压
						ABB-QABP132M4A	50Hz	380V	7500W	0.89	7.6V

表2电机空载功率基础数据

频率(HZ)	5HZ	10HZ	15HZ	20HZ	25HZ	30HZ	35HZ	40HZ	45HZ	50HZ
											空载损耗(W)	279	312	340	335	373	400	415	445	462	489
频率(HZ)	55HZ	60HZ	65HZ	70HZ	75HZ	80HZ	85HZ	90HZ	95HZ	100HZ
											空载损耗(W)	390	310	321	314	337	349	379	407	454	432

1-2).检测误差试验：

获得QABP132M4A型ABB变频电机的基础数据后，采用本发明方法对QABP132M4A型ABB变频电机的输出功率进行在线检测，计算本发明方法测得的电机输出功率与实际输出功率之间的检测误差：相对误差其中，P_2t为利用本方法求得的电机的输出功率，P_2a为功率分析仪检测得到的电机的输出功率。按此方法对电机在20个不同频率下进行了误差实验，得到如表3所示的检测误差试验表。

表3检测误差试验表

通过上述误差实验发现，由本发明检测的变频调速数控机床主轴电机在加工过程中的输出功率精度较高，与由功率仪测量得到的输出功率值的相对误差全在6％以下，大多数在2％以下，误差值在工程应用范围之内，具有很好的指导、参考价值。本发明方法可直接应用于变频调速数控机床能量效率获取、机械加工过程的能效评估、能耗监控、能量管理、节能技术研究中，具有较广阔的应用前景。

综上所述，本发明提供的变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法，通过获取检测变频调速数控机床主轴电机输出功率所需要的基础数据和主轴电机空载功率与频率的表达式，只需在线测取变频调速数控机床主轴电机在加工过程中的实时输入功率、输入电压以及变频器供电频率，即可实时地在线检测出主轴电机的输出功率。其在线检测过程简单易操作，且对现有变频调速数控机床普遍适用，解决了现有技术中难以有效地对变频调速数控机床主轴电机输出功率进行在线检测的问题。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取检测变频调速数控机床主轴电机输出功率所需要的基础数据：包括主轴电机的基频f_N、额定电压U_N、额定功率P_N、额定效率η_N、变频器对电机的补偿电压ΔU；

2)获取基频下调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₁(f)，以及基频上调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₂(f)，f为变频器对主轴电机的供电频率；

3)实时测量变频调速数控机床主轴电机在加工过程中的输入电压U_a、供电频率f_a以及输入功率P_i；

4)由上述数据计算得到主轴电机在当前状态下的空载功率P_0a以及参数b；

5)计算得到当前状态下变频调速数控机床主轴电机的输出功率P₂，并将输出功率P₂作为变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测的输出；

$P_2=\frac{-P_N+\sqrt{{P_N}^2+4b(P_i-P_{0a})}}{2b}{P}_N;$

所述步骤4中，所述主轴电机在当前状态下的空载功率P_0a的计算公式为：

$P_{0a}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{01}\left(f_a\right)*{\left(\frac{U_a}{\frac{f_a}{f_N}(U_N-\mathrm{\&Delta;}U)+\mathrm{\&Delta;}U}\right)}^2& (f_a\&le;f_N)\\ P_{02}\left(f_a\right)*{\left(\frac{U_a}{U_N}\right)}^2& (f_a>f_N)\end{array}\right.;$

所述参数b的计算公式为：

$b=\left\{\begin{array}{cc}\&lsqb;P_N(\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_N}-1)-P_{01}\left(f_N\right)\&rsqb;*{\left(\frac{\frac{f_a}{f_N}(U_N-\mathrm{\&Delta;}U)+\mathrm{\&Delta;}U}{U_a}\right)}^2& (f_a\&le;f_N)\\ \&lsqb;P_N(\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_N}-1)-P_{01}\left(f_N\right)\&rsqb;*{\left(\frac{U_a}{U_N}\right)}^2& (f_a>f_N)\end{array}\right.;$

或者，所述步骤4中，所述主轴电机在当前状态下的空载功率P_0a的计算公式为：

$P_{0a}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{01}\left(f_a\right)& (f_a\&le;f_N)\\ P_{02}\left(f_a\right)& (f_a>f_N)\end{array}\right.;$

所述参数b的计算公式为：

$b=P_N(\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_N}-1)-P_{01}\left(f_N\right).$

2.如权利要求1所述的变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：获取电机在不同频率下的空载功率，通过曲线拟合的方法获取所述基频下调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₁(f)，以及所述基频上调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₂(f)。

3.如权利要求1所述的变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：测量机床在电机空载时，不同频率下的主轴电机输入功率，以该功率值近似代替主轴电机的空载功率值，通过曲线拟合的方法获取所述基频下调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₁(f)，以及所述基频上调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₂(f)。

4.如权利要求1所述的变频调速数控机床主轴电机输出功率的在线检测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：获取主轴电机在基频f_N时的空载功率与实测输入电压获取主轴电机在最小工作频率f_min下的空载功率与实测输入电压

将f_min,f_N,U_N,ΔU带入公式，得到主轴电机在最小工作频率f_min下的电压

$U_{{\mathrm{Nf}}_{min}}=\frac{f_{min}}{f_N}(U_N-\mathrm{\&Delta;}U)+\mathrm{\&Delta;}U;$

所述基频下调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₁(f)的计算公式为：

$P_{01}\left(f\right)=P_{0f_{\min }}{\left(\frac{U_{{\mathrm{Nf}}_{\min }}}{U_{{\mathrm{af}}_{\min }}}\right)}^2-(P_{0f_N}{\left(\frac{U_{{\mathrm{af}}_N}}{U_N}\right)}^2-P_{0f_{\min }}{\left(\frac{U_{{\mathrm{Nf}}_{\min }}}{U_{{\mathrm{af}}_{\min }}}\right)}^2)\left(1-\frac{f^2}{{f_N}^2}\right);$

所述基频上调阶段，主轴电机空载功率与供电频率的表达式P₀₂(f)的计算公式为：

$P_{02}\left(f\right)=P_{0f_N}{\left(\frac{U_{{\mathrm{af}}_N}}{U_N}\right)}^2\left(\frac{{U_N}^2}{U^2}\right)+(P_{0f_N}{\left(\frac{U_{{\mathrm{af}}_N}}{U_N}\right)}^2-P_{0f_{\min }}{\left(\frac{U_{{\mathrm{Nf}}_{\min }}}{U_{{\mathrm{af}}_{\min }}}\right)}^2)\left(\frac{{f_N}^2}{f^2}-\frac{f^2}{{f_N}^2}\right).$