高速主軸馬達驅動技術

摘要：隨著工具機產業的蓬勃發展，其核心的機電模組至關重要，對於加工精度以及加工能力的影響最大，基於高速應用的需求，本文介紹了高速主軸馬達的驅動技術，包含如何設計與分析高速內藏式永磁主軸馬達之參數規格與特性以及適用於高速馬達驅動器之升壓轉換器架構，並且討論用於高速驅動之弱磁控制策略以及功率開關調變方式。
Abstract：With the development of the machine tools industry, the electromechanical module plays a crucial role, significantly impacting machining accuracy and capability. Based on the demand for high-speed applications, this article introduces high-speed spindle motor drive technology. Including the design and analysis of parameter specifications and characteristics of high-speed built-in permanent magnet spindle motor, as well as the structure of the Boost converter for high-speed motor drive. It also discusses field-weakening control strategies and power switch modulation methods for high-speed motor drive.

關鍵詞：內藏式主軸馬達、伺服驅動器、馬達控制
Keywords：Built-in spindle motor, Servo drive, Motor control

前言
工具機在現代製造業扮演著不可或缺的角色，是各種機械零件加工程序中必備的機械設備，一般可分為切削、研磨等加工方式，隨著工具機產業的蓬勃發展，具備更多完整功能、加工效能的高階工具機逐步於市場中問世，其中直接影響到加工品質的機電模組至關重要，對於加工精度以及加工能力的影響最大，在磨削加工行為中使用的主軸馬達可進行高速研磨與切割，本文將介紹高速主軸馬達的驅動技術，包含高速驅動器設計架構以及高速內藏式永磁主軸馬達設計，良好的驅動器設計搭配高速設計的主軸馬達可提升工具機的加工性能，對應高階客製化市場需求，包含高轉速、高功率密度、精確控制等應用需求，因此採用永磁主軸馬達取代傳統感應馬達，其具備啟動轉矩大、速度穩定、響應速度快、速度範圍寬(依據馬達電壓常數Ke決定)、結構簡單、高精度等優點，為高階工具機產業提供穩定且有效的解決方案。其中主軸又可分為皮帶式、直結式、內藏式，為了消除皮帶或齒輪產生的動力傳輸損耗以及高速驅動的需求[1]，本文以內藏式之主軸馬達進行設計。內藏式主軸馬達，主要應用於高速加工，高速切削可以減少加工時間提升生產效能，內藏式的設計可降低震動以及噪音，且體積小、重量輕，因無功率傳遞損耗因此可達成高轉速的設計，但高速運轉時通常伴隨著大量的熱，因內藏式的設計關係，馬達內部的軸承摩擦扭矩也隨之增加，故軸承發熱變大，而在主軸高速運轉時，主軸馬達的輸出功率變大，馬達的鐵損與銅損也隨之增加，也就表示馬達發熱量增加，且內藏式主軸的軸承元件及馬達是設計在封閉的系統中，因此內藏式主軸的散熱須特別留意，對於冷卻水套的設計也是一門學問[2]。良好的驅動器設計搭配高速設計的主軸馬達可提升工具機的加工性能，為高階工具機產業提供穩定且有效的解決方案。
主軸伺服機電模組架構
主軸伺服機電系統如圖1所示[3]，其中包含機械結構與相關機構，馬達，馬達驅動器，控制器，相關感測元件。伺服機電模組包含馬達與馬達驅動器。馬達驅動器包含電力轉換器，控制單元，感測元件。而馬達外部會裝置速度或位置感測器[4]。

圖1 機電系統[3]

資料來源：全華圖書 工研院機械所重製

PWM訊號是為脈波寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)，主要用來調整開關元件之導通時間，控制迴路整體說明如下，馬達驅動器根據馬達位置感測器，與控制器送出之馬達位置進行比較，計算出所需之轉矩命令，並偵測馬達電流訊號，與轉矩命令進行比對計算，調整PWM輸出至開關元件，完成控制迴路。
內藏式永磁主軸馬達設計
對比感應馬達，永磁主軸馬達具有寬廣的轉速範圍和動態響應，因此對於高速驅動的需求應使用永磁馬達，馬達轉速範圍分為定轉矩區與定功率區，馬達扭力轉速範圍如圖2所示，轉折轉速是定轉矩區和定功率區的分界點，此時馬達的反電動勢達到最大值。轉折轉速一般設計為其額定工作轉速，該點的額定運轉狀態需進行磁路設計與熱損耗計算，希望額定工作點產生高的運轉效率，同時需計算額定工作點的最大輸出轉矩。

圖2 馬達扭力轉速範圍