DIY五轴摇头机——FOC矢量控制变频小主轴的制作

搬运工A

DIY五轴摇头机——FOC矢量控制变频小主轴的制作    自木坛-HyperCNC杨工

打算开发一台桌面级五轴摇头机，主打小件工艺品的精细雕刻。基本配置为铝合金机架、线轨、滚珠丝杆、标准EKEF座，两个旋转轴为减速比1:18的精密旋转台。电器部分配一体化闭环步进、FOC矢量控制变频小主轴、高性能五轴脱机工控。通过实践创新研发提高性能，通过开源图纸自行DIY降低成本和人工费，争取将现在市面上DIY级摇头机普遍好几万的价格降到5000到10000的价格范围。整个工程比较庞大，烂尾的几率不小，好在大部分有难度的部分都已经攻克，从今天起慢慢发帖出来。
       这贴先发FOC小主轴的制作，因为是桌面级小机子，又是摇头的，所以配不了好几公斤重的大水冷主轴，市面上可选的成品主轴就只有迎风和NSK的，但价格都偏贵而且扭矩偏小。于是决定自己开发，前前后后做了很多款，内转子的、外转子的、直连的、带联轴器的，通过上机实测综合功耗、发热、扭矩、转速、精度、振动、噪声、可维护性和寿命等各项指标定下了最终的方案。




       首先电机选的是直径42mm功率250W的无刷小电机，这个电机跟迎风42mm的主轴基本上是同功率同一种类型的电机即无刷同步电机非普通水冷主轴那种无刷异步电机。电机轴心是中间15mm直径两端8mm直径的钢轴，外贴两段强磁钢，这两段强磁钢都有4对极，比一般模型内转子无刷电机的极数多一倍，这一点对闭环控制非常有利。电机外壳是钢的两个端盖是铝合金材质比较厚，所以机壳整体承力能力还是不错的。不过电机自带的两个小轴承外径只有16mm非常不耐用承力也不行，而且电机有轴向窜动。如果直接在电机轴上套个ER延长杆来当主轴的话实测紫光檀3mm下刀开粗都非常勉强，更别说干软金属了。














     于是对电机进行改装，无非是加轴承。用的ER延长杆是非标定做15mm外径的，订做时的内外径公差是按照市面上卖品的标准紧配公差，实际热装配后发现用大拉马都没法取下来，这样如果要换电机轴承就只能把延长杆车掉了，显然是不合理的。于是买了金刚石铰刀进行扩孔，基本上扩到与电机轴配合有点紧用拉马可以取下的程度就OK了，然后外径也用砂纸打了一圈，把与轴承的过盈配合加工成过渡配合，这样轴承就不需要热装配了。轴承选的是高速双列角接触轴承，一来承力能力远比同尺寸深沟球轴承强，二来这种轴承基本没轴向间隙所以轴向基本不需要加预紧。轴承座也是订做的45号钢精密加工后发黑的，装入轴承，然后加上垫片，最后加上限位环锁紧，限位环的作用是消除轴向的间隙窜动，同时起到防尘和防水的效果。这样整个主轴机械部分就完工了，其实也是很简单的。





































      接下来讲FOC变频驱动器的制作，相较于通用的变频器和驱动器，FOC矢量控制驱动最大的优势是可以对主轴电机进行闭环控制。当然有其利必有其弊，缺点是特定的FOC控制器只能配特定的主轴电机，就像三菱的伺服控制器没法驱动台达的伺服电机一样（注：无刷伺服电机底层驱动都是FOC的）。完整的FOC驱动程序很复杂的，源代码估计有十几万行，好在像ST意法半导体、TI德州仪器这些半导体厂把代码都做成了开源库，这样研发难度一下子就降低了很多。首先需要买一套ST公司的开发套件，包括一块单片机开发板和一块FOC驱动板。这套开发套件起到3个作用：第一是用来测出电机的各项参数包括相电阻、相电感、KV值、转子惯性量等各个参数；第二是用来作为驱动器硬件画电路板的参考板（套件的原理图电路图和程序都是开源的）；第三是用来作为程序的烧录器和调试器。
       参照这开发套件开源的电路图画好我自己的电路板，主控芯片选的是ST的STM32F302CBT6，这颗芯片带有浮点数硬件运算单元，更适合处理FOC算法程序，而且内置有比较器和运放单元，这样可以省掉很多外围芯片，提高可靠性。驱动MOS管选的是IRF3205，最大电流110A，内阻仅8毫欧，发热量非常小。画好电路板外发嘉立创打板，立创商城购买元件，嘉立创完成部分贴片元件的焊接，剩下的直插元件手工焊好，这样电路部分就完工了。软件部分也不是很复杂，用ST Motor Profiler这个软件测出电机的各项参数后导入ST Motor Control Workbench这个软件，然后配置好驱动程序的各个参数，前后大概百来个参数，都要配置正确，任何一个配置错误都会导致电机无法驱动起来。配置好后在KEIL软件里进行编译最后烧录进主控芯片软件就算是大功告成了。虽然还是有点小复杂，但相较于从头开始编写一套FOC驱动控制程序已经算是非常简单了。出于保守稳重的考虑，主轴电机和驱动程序最高转速都设置在了12000RPM，最低转速为3000RPM，全程转速都是无编码器闭环控制的（通过测电机第三相的换向时间来获得转速信息进行闭环控制），实时转速通过主控芯片的一个DAC引脚输出，配合一块高精度电压表头可以实时显示。


































     实际测试小主轴紫光檀开8000RPM一刀下6mm没有压力，轻度干铝合金下刀0.2mm开8000RPM小刀快跑也很轻松。12000RPM的转速用来雕刻用单刃的平底尖刀只能说勉强够用，但用三棱尖刀就基本够用了，当然这得是十足的上到12000RPM的转速，不是那些个跑个6000RPM就虚标成12000RPM的。上传个五一节拍的测试视频，我以前的帖子也有相关测试视频。最后附上我整理的一些有关FOC的资料及开源的电路图和固件，给感兴趣的机友做学习参考之用。
链接：https://pan.baidu.com/s/1wrr64V0-2AvjwVFuz4q-8A
提取码：cr0x






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单主轴成本就大概300多，这种小电机贵的很，定做的件很多加上量少成本就上去了。36mm的模型电机我之前也定做过，没法直接用要加无动力头，你要电机可以联系我，我可以便宜出你，一台3674车模电机，一台3680船模电机，都是内转子的








以前的那种全铝壳的修边机改了做主轴倒还可以，现在的不行了，都是塑料壳子的了。修边机有刷的配变频器强改无刷这个我还没见过有人这么玩法，只见过用变频器驱动伺服电机的来做主轴的。

无聊的鬼

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