（机械电子工程专业论文）高速电主轴高性能驱动控制方法研究.pdf

中文摘要 摘要 高速电主轴作为高速机床的核心部件，其驱动控制性能对高速机床的加工质 量有重要影响。然而，高速电丰轴是一个复杂的机电系统，对其进行高性能驱动 控制是比较困难的。传统的v f 控制属于稳态控制方法，其动态性能较差，因此 需要对高速电主轴的高性能驱动控制进行研究。本文以高速电主轴的高性能驱动 控制为核心，主要开展了以下研究工作。 首先，阐述了本课题研究的背景、来源及意义，简述了高速电主轴产品的技 术现状，重点综述、归纳了高速电主轴驱动控制的研究现状和发展方向，并交代 了本课题的研究目的和研究内容。介绍高速电主轴的基本结构，分析了其工作原 理。推导了其数学模型矢量形式，得出高速电主轴具有高阶次、多变量、非线性、 强耦合特性，并介绍了高速电主轴驱动控制系统的基本结构。 然后，深入研究了高速电主轴在不同轴系上的数学模型，推导了按转子磁场 定向的矢量控制方程，根据矢量控制方程构建了高速电主轴的矢量控制系统原理 框图。根据该系统原理框图在m a t l a b s i m u l i i l l ( 中搭建了高速电主轴的矢量控制系 统仿真模型，按照实验室中的1 7 0 m d l 5 y 2 0 型高速电主轴的参数设置仿真系统的 参数，整定了仿真系统的控制参数，并分析了仿真结果。 接着，阐述了高速电主轴直接转矩控制理论依据及相关方法，在此基础上构 建了直接转矩控制系统原理框图。然后，根据该系统原理框图在m a t l a b s i m u l i n k 中搭建了高速电主轴的直接转矩控制系统仿真模型，同样按照1 7 0 m d l 5 y 2 0 型高 速电主轴的参数设置仿真系统的参数，进行了参数整定和直接转矩控制仿真，并 对仿真结果进行了分析。 最后，深入探讨了高速电主轴矢量控制和直接转矩控制的共性，指出这两种 控制方法本质上具有相同的控制机理。在此基础上，对一种新提出的高性能控制 方法，即联合矢量直接转矩控制控制，进行了深入推导、分析。按照联合矢量直 接转矩控制的思想，构建了联合矢量直接转矩控制系统的原理框图，在 m a t l a b s i m u l i n k 中搭建了联合矢量直接转矩控制系统的仿真模型，按照 1 7 0 m d l 5 y 2 0 型高速电主轴的参数设置仿真系统的参数，进行了参数整定和仿真 运行，并对仿真结果进行了分析。 关键词：高速电主轴，矢量控制，直接转矩控制，联合矢量直接转矩控制，仿真 重庆大学硕士学位论文 l i 英文摘要 a b s t r a ct t h eh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ew o r k sa st h ec o r ec o m p o n e n t so fh i g h s p e e d m a c h i n et 0 0 1 sa n di t sd r i v ec o n t r o lp e r f o m l a n c eh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h em a c h i n e t 0 0 1 sm a c h i n i n gq u a l i t y h o w e v e r ，i ti sac o m p l e xe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e ma n di t i s d i 伍c u l tt 0c a r r yo u th i 曲一p e r f o r n l a n c ed r i v ec o n t r o lo ni t 。t h ec o n v e n t i o n a lv fc o n t r 0 1 i sak i n do fs t e a d y - s t a t ec o n t r 0 1m e t h o da n dt h e r e f o r ei t sd y l l 锄i cp e r f b m a j l c ei sn o t g o o d ，s oi t i s n e c e s s a r yt os t u d yh i 曲一p e r f o n n a l l c e d r i v ec o n t r 0 1m e t h o d sf o rt h e h i 曲一s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e f o c u s e do nt h i s ，m em a i nr e a s e a r c hw o r ko f “sp a p e r a r ea sf 0 1 l o w s ： f i r s t l y ，m eb a c k 伊o u d ，t h es o u r c ea n d t h es i 伊i f i c a n c eo ft h i sw o r ki sd i s c u s s e d ，t h e t e c h n o l o g ys t a t u so fh i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ep r o d u c t s i s b r i e n ys t a t e d ，t h e r e s e a r c hs t a h l sa n dd e v e l o p i n gd i r e c t i o n so ft h ed r i v ec o n t r 0 1o fh i g h s p e e dm o t o r i z e d s p i n d l e sa r ed e t a i l e d l ys u m m a r i z e d ，a n dt h ep u 印o s ea n dc o n t e n t s o ft h i sw o r ka r e i 1 1 u s t r a t e d a n dm e n ，t h em e 如n d 锄e n t a ls t r u c t u r eo fh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e si s i n t r o d u c e da n di t so p e r a t i o np r i n c i p l ei sa n a i y z e d f i n a l l y ，t h em a m e m a t i c a lm o d e lo f t h em o t o r i z e ds p i n d l ei sd 耐v e d ，w r h i c hs h o w sm a tt h em o t o r i z e ds p i n d l ei sah i 班一o r d e r m u l t i v a 血b l e ，n o n l i n e a ra n ds t r o n g l yc o u p l e de l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，a n dt h ed r i v e c o n t r o ls y s t e mo fh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e si sp r e s e n t e d s e c o n d l y ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh i 曲一s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e so nd i 任e r e n t r e f e r e n c e 仔a m e si ss t u d i e d ，t h er o t o rf l u x o d e n t e dv e c t o rc o n t r o l ( v c ) e q u a t i o n sa r e d 甜v e d ，a j l dm e 如n c t i o n a lb l o c kd i a 伊锄o ft h eh i 曲一s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e sv c s y s t e mi sp r o p o s e d a n dt h e n ，a c c o r d i n g t ot h e 如n c t i o n a lb l o c kd i a 孕a m ，as i m u l a t i o n m o d e lo ft h es p i n d l e sv cs y s t e mi sc o n s 臼m c t e di nm a t l a b s i m u l i n k ，m ep a r 锄e t e r so f t h et y p e17 0 m d 15 y 2 0h i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ei no u rl a ba r es e ti n t ot h em o d e l f i n a l l y ，m ec o n t r 0 1p a r 锄e t e r sa r ea d j u s t e da n dm es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e d t h i r d l v m et h e o r ye v i d e n c e 狃dt h er e l a t e dm e t h o d so fd i r e c tt o r q u ec o n 们l ( d t c ) f o rh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e si si 1 1 u s t r a t e d ，b a s e do nw h i c h t h e 向n c t i o n a l b l o c kd i a 掣锄o ft h es p i n d l e sd t cs y s t e mi sp r o p o s e d a n dt h e n ，as i m u l a t i o nm o d e l o ft h es p i n d l e sd t cs y s t e mi se s t a b l i s h e di nm a t l a b s i m l m n k ，a n dm ep a r a m e t e r so f m et y p e17 0 m d15 y 2 0h i 曲s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ea r eu s e di nt h em o d e l f i n a l l y ， a j u s t i n go f c o n t r 0 1p a r 锄e t e r si sc o m p l e t e da n dm es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e d f i n a l l y ，t 1 1 es i m i l 撕t yb e t w e e nv ca 1 1 dd t c i sd e e p l yi n v e s t i g a t e da n dt h er e s u l t 1 1 1 重庆大学硕士学位论文 r e v e a l st h a tm et w od i 氘r e n tc o n t r 0 1m e t h o d sa c t u a l l ys h a r em es 锄e c o n t r o l m e c h a n i s m b a s e do n “s ，ar e c e n t l yp r o p o s e di 1 1 1 1 0 v a t i v e c o n t r 0 1m e m o d ，c a l l e d c o n l b i n e dv e c t o rc o n t r 0 1a n dd i r e c t7 i 、o r q u ec o n t r 0 1 ( c v c d t c ) ，i sd e r i v e da n d a n a l y z e d t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fc v c d t c ，af - u n c t i o n a lb l o c kd i a g r 锄o f m em o t o r i z e ds p i n d l e t sc v c d t cs y s t e mi ss k e t c h e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o n m o d e li sc o n s t r u c t e di nm a t l a b s i m u l i n k ，w h o s ep 2 u r a m e t e r sa r es t i l ls e tb yt h et y p e 17 0 m dl5 y 2 0h i 西一s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e f i n a l l y ，m ec v c d t cc o n t r 0 1p a r 锄e t e r s a r ea d i u s t e d 锄dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e d 觚dc o m p 2 u r e dw i t hv c a n dd t c k e y w o r d s ：h i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e s ，v b c t o rc o n t r o l ，d i r e c tt o r q u ec o n 仃o l ， c o m b i n e dv e c t o rc o n t r 0 1a n dd i r e c tt 0 r q u ec o n t r o l ，s i m u l a t i o n i v 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 当前，机械加工正朝着高速度、高精度、高效率的方向飞速发展，机床的高 速化成为机床的发展趋势之一，这就需要能够实现高速运转的主轴部件，即高速 主轴单元。高速电主轴是高速主轴单元的一种典型结构，作为实现机床高速化的 关键部件，是近年来数控机床领域出现的新型技术方案，对高速加工产生了深远 的影响。高速电主轴是一个复杂的机电耦合系统，对其进行高性能驱动控制是比 较困难的。传统的恒压频比控制，即v f 控制，属于稳态控制方法，因此其动态 性能较差。但由于其控制性能对加工质量有重要影响，故对其进行高性能的驱动 控制具有重大意义，这也是高速电主轴研究的一个重要课题。 1 2 本课题研究的背景、来源和意义 1 2 1 本课题研究的背景 本课题研究的是高速电主轴的高性能驱动控制方法，而高速电主轴是在高速 加工的背景下发展起来的，因此有必要对高速电主轴驱动控制技术研究的背景， 即高速加工的历史和现状进行一些介绍。 u 吣 蜊 赠 = 皿 尽 a bc _ r 萨洛蒙曲线 缓 一一 屹 切削速度v ( m m i n ) 图1 1 萨洛蒙曲线 f i g1 1t h es a l o m o nc u e 对于机械加工技术加工速度和加工效率的研究和发展，最初主要集中在减少 重庆大学硕士学位论文 加工过程的辅助时间上。数控机床的出现使得辅助时问大大降低，生产率得到极 大提高。然而，辅助时间的缩短是有一定限度的，想要进一步提高机床的生产率， 只有降低切削工时。降低切削工时就意味着要提高切削速度，包括提高主轴转速 和进给速度。解决高速切削面临的问题，关键是依靠高速切削机理研究的突破。 萨洛蒙的超高速切削理论为高速加工提供了理论依据。1 9 3 1 年，德国学者萨洛蒙 发表了著名的超高速切削理论，如图1 1 所示【1 1 。他指出，在常规的切削速度范围 内，切削温度随切削速度的增大而升高；当切削速度增大到一定程度时，切削速 度继续增大切削温度反而下降。 在萨洛蒙高速切削理论的指导下，随着机械、材料、电力电子、自动化等技 术的发展，使得高速加工成为现实。高速加工技术采用能可靠实现高速运动的制 造设备，实现了对工件的高速加工 2 1 。高速机床技术是高速加工的核心技术之一p j ， 是实现高速加工的基本条件。在高速机床中，将高速主轴系统做成一个功能相对 独立的部件，便于机床之问的移植、互换，该部件又被称为高速主轴单元。高速 电主轴是高速主轴单元的典型代表，代表了未来高速主轴单元的发展趋势。 高速电主轴将电机的转子和机床主轴做成一体，省去了传统机床从电机到主 轴的传动环节，其驱动模型和控制原理与电动机类似。然而，高速电主轴转速很 高，可达几十万转，再加上其自身固有的复杂结构特点和直接夹装刀具进行高速 加工的特殊要求，使得高速电主轴对驱动控制性能提出了更高的要求。高速电主 轴驱动控制品质的好坏，对机床加工质量具有直接、重要的影响。因此，在高速 加工技术蓬勃发展的大背景下，对高速电主轴高性能驱动控制方法的研究，成为 高速加工技术及高速电主轴技术的1 个重点研究课题。 1 2 2 本课题的来源 本课题是在国家自然科学基金项目“高速电主轴机电耦合动力学分析及仿真 与实验研究”( n o 5 0 6 7 5 2 3 3 ) 、重庆市重大科技攻关项目“装备制造业典型基础部件 关键技术研究及产业化”( c s t c 2 0 0 6 a a 3 0 1 0 ) 和中央高校基本科研业务费科研专 项“谐波分量影响下基于机电一控制耦合模型的高速高性能电主轴动态特性研究” ( c d j x s1 11 11 1 4 3 ) 资助下，旨在深入研究并改善现有高速电主轴驱动控制方法的 控制性能，并进一步寻找新的高性能驱动控制方法，为高速加工的进步提供理论 和技术上的支持。 1 2 3 本课题研究的意义 高速电主轴作为高速机床的核心部件，是高速加工中的重点研究对象。高速 电主轴的驱动控制性能，对加工质量和加工效率影响直接、重大，因此对其驱动 控制方法的研究是具有重要意义的。再加上当前我国的高速电主轴驱动控制技术 较国外还存在较大差距，这更需要我们对该研究领域进行深入的研究，以缩短国 2 1 绪论 内与国外先进驱动控制技术的差距。因此，对高速电主轴高性能驱动控制方法的 研究，在理论研究和工程应用上都具有重要的学术意义和经济效益。 1 3 国内外研究现状 国家自然科学基金委员会工程与材料学部在机械工程学科发展战略报告 ( 2 0 1 1 2 0 2 0 ) 中说【4 j ：“随着电一机械转换器及其驱动技术的发展，直接驱动( d i r e c t d r i v e ) 越来越受到重视。其本质就是取消从驱动器或原动机到工作负载之间的传 动环节，由驱动器或原动机直接驱动工作机构运动，实现所谓近零传动( n e 扑z e r o t r a j l s m i s s i o n ) ，对此国内外开展了大量的研究工作。”高速电主轴作为数控机床中 最重要的功能部件，是“直接驱动”最典型代表之一。近2 0 余年来，高速电主轴一直 是先进制造技术研究的热点之一，而其驱动控制方法也是一个重要研究内容。下 面先对高速电主轴技术产品现状进行介绍，然后对高速电主轴的驱动控制研究现 状进行综述。 1 3 1 国内外高速电主轴产品技术现状 在高速电主轴产品技术方面，德国的g m n 、瑞士的i b a g 、意大利的0 m l a t 等国产品居领先地位，在国内有代表性企业主要有洛阳轴承研究所、江苏星轮公 司、安阳华安通用公司等。近年来，由于市场需求推动，国内出现了数十家生产 高速电主轴的企业，也出现了上海艾辛传动等代理境外电主轴电机销售公司。据 2 0 1 0 年7 月国家自然科学基金委员会在湖南长沙举办的“高性能机床主轴中的关键 科学问题n s f c 十二五研讨会”资料：在角接触球轴承电主轴领域，洛阳轴承研究 所电主轴产品额定功率和最高转速为2 2k w 2 4 0 0 0r p m ，国外电主轴最高转速为 1 4 0 0 0 0 印m ，功率可达8 0k w ；洛阳轴承研究所电主轴产品靠聆值为1 7 0 万一2 0 0 万 m m 叩m ，国外电主轴产品如刀值高达2 4 0 万m m r p m 。与国际先进水平相比，国产 电主轴的功率、输出扭矩、刚度、可靠性、平均无故障运行时间等关键技术指标 仅能达到国外同类产品的4 0 一6 0 。 显然，国内产品与国外先进水平存在巨大差距的原因是高速电主轴产品研发 实践中缺乏科学理论和方法的指导，虽然经多年努力，即使使用国外电主轴电机 设计的电主轴，其核心竞争技术障碍还是无法跨越。此外，高速电主轴综合性能 精密测试研究的重视程度、测试技术、与实验手段均不到位，技术人员难以对技 术水平做出科学评价，故难以缩小与国外先进理论和实验技术水平的差距。这样 的结果是低端产品残酷竞争，高端产品难寻，国产电主轴与进口产品差价达数倍 到十数倍之多，严重制约了我国高端数控机床的自主发展。 1 3 2 国内外高速电主轴驱动控制研究现状 近2 0 余年，随着高速加工技术的发展，国内外学者对高速电主轴及其驱动控 重庆大学硕士学位论文 制技术进行了大量研究。由于高速电主轴的驱动控制基础是电动机的驱动控制， 故对高速电主轴的驱动控制方法研究，要追溯或涉及到电动机驱动控制方法的研 究。 交流异步电动机由于其结构简单、坚固耐用等优点，在工业领域得到广泛的 应用和重视。然而，异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合、多输入输出的复 杂机电系统【引，在早期很长的时间里，因其物理模型复杂而难于对其进行高性能的 驱动控制。传统的异步电动机驱动控制方法，主要是v f 控制【6 j 。v f 控制是一种标 量、稳态控制，故动态性能不好。上世纪7 0 年代，德国学者b 1 a s c l l l ( e p j 提出了矢量 控制( v e c t o rc o n t r 0 1 ，缩写v c ) ，实现了对异步电动机磁链和电磁转矩的独立、瞬 态控制。它的提出，开创了交流异步电动机高性能控制的新时代。8 0 年代，德国 学者d ed 印e n b r o c k 8 】和日本学者毗a 1 1 a s h i 9 】分别独立地提出了直接转矩控制 ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ，缩写d t c ) 。直接转矩控制以一种比矢量控制更简洁的方 式，实现了异步电动机的高性能驱动控制。 在矢量控制和直接转矩控制被提出以后，在异步电动机的驱动控制领域，国 内外学者对这两种控制方法进行了大量研究、对比和发展。如d ed o n c k e r 【j 叫在 b l a s c l l l 【e 的基础上，对异步电动机通用矢量控制的控制器在按转子磁场定向、按定 子磁场定向和按气隙磁场定向时进行了对比研究。在工程实际中，直接转矩控制 具有比矢量控制更快的响应速度，然而其转矩脉动较大。p a l l d y a j 研究了如何降 低交流异步电动机直接转矩控制的转矩脉动。 随着高速加工技术的发展，对机床性能提出了新的要求，高速电主轴在这样 的背景下发展起来，其机电系统模型、驱动控制方法及性能也受到广泛关注。通 过文献分析，可将高速电主轴( 包含高速电机) 驱动控制的研究现状和发展方向 归纳为以下几个方面：自身模型的深化、无速度传感器化、超高速化、高精度化、 高鲁棒性化、多样化和统一化。 高速电主轴( 内置电机) 自身模型的深化。孟杰【1 2 】基于机电系统分析动力学 理论，建立了高速电主轴7 自由度的机电耦合动力学模型。熊万里 13 】建立了“逆变 器一电主轴一砂轮磨削载荷”系统的机电耦合数学模型，使得高速电主轴系统的数学 模型更加全面。s h i r u l 狄a 【1 4 j 提出主轴电机控制的三个难题：非线性、强耦合和不确 定性。高速电主轴自身模型深化的一个重要方面是对负阻尼和不平衡此拉力的研 究。r o b e n 1 5 ，1 6 研究了电潜泵轴系由负阻尼特性引起的机电耦合自激振荡， b e l m a n s 1 7 1 8 1 推导出不平衡磁拉力的准确的解析式，郭丹 1 9 】计算了电机在不平衡磁 拉力和质量偏心力共同作用下的动力响应，d o r r e l l 【2 0 提出了一个估算电机由于偏 心而引起的不平衡磁拉力的方案并研究了静态和动态偏心。 高速电主轴驱动控制技术的无速度传感器化。y u 【2 l j 提出了一种新的主轴异步 4 1 绪论 电机无速度传感器矢量控制策略，该策略使用可变带宽转子磁链观测器实现了包 括零速的全速范围有效控制。王薪与【2 2 j 通过对无速度传感器转速辨识方法的分析 研究和对基于模型参考自适应速度辨识理论的分析，克服了一般转速辨识算法依 赖电动机转子参数和具有积分环节的缺点，实现了基于无功功率m a r s 转速辨识方 法。陈小安等【2 3 】根据无速度传感器矢量控制对励磁电流和转矩电流进行分解，实 现了磁链和转矩对各自指令值的全局渐进跟踪。 高速电主轴驱动控制技术的超高速化。s h i g e m a t s u 等【2 4 2 5 】设计了一个转速高达 2 4 0 0 0 0r p m 的超高速电机驱动系统，该电机的涉及如d s p 、f p g a 等控制技术。h o n g 等【2 6 】制作了一个转速为1 2 0 0 0 0 印m 的超高速电机，并对电机做了电磁分析。超高 速电机也称高频电机，如果不对其涡流进行有效抑制，其发热是很严重的。进一 步，h o n g 等【2 7 j 对1 2 0 0 0 0 印m 的超高速电机进行了涡流分析，并提出了一种方法以 抑制电机超高速运行时的涡流损耗。k e r u l e l 口8 j 试制了一个超高速电机矢量控制系 统，该超高速电机能在2 5 0 0 0 0i p m 下正常运行，并具有高加、减速度。 高速电主轴驱动控制的高精度化。部绍明口刿对异步电动机进行了矢量控制仿 真研究，获得了良好的动态性能和精度较高的稳态跟踪能力。王成元【3 u j 根据矢量 变换和弱磁控制理论，提出一种高效精确的控制策略。张珂等【3 l j 设计了一个高速 电主轴直接转矩控制系统，实现了主轴的快速准停、准位及准速。进一步地，张 珂等【3 2 】对高速电主轴直接转矩控制的偏差进行反馈校正，并把反馈校正项与估计 磁链的电主轴数学模型结合起来，建立含有闭环状态估计的误差补偿器的全阶磁 链观测器，并进行了仿真研究。 高速电主轴驱动控制的高鲁棒性化。k 锄等【3 3 】为了得到与速度无关的控制性 能，使主轴系统随转速而变化的动力学性能通过增益自动调度的2 个鲁棒性控制器 来控制。w a n g 等 3 4 】研究了主轴受到转矩干扰时的转速稳定性，发现主轴受到转矩 干扰时的转速稳定性在交流伺服电主轴系统和永磁同步伺服电主轴系统有很大差 别。栾景美等 3 5 ，3 6 】提出了无功功率m r a s 转速估计法以提高系统对电气参数变化的 鲁棒性。张翊诚等【3 7 】提出了电主轴的模糊控制算法，该算法对模型的依赖性小， 并且能进行参数白寻优整定。林立等【38 】提出了用单神经元自适应p i d 控制器代替传 统p i 调节器，新主轴系统具有很强自适应性和抗扰性。 高速电主轴驱动控制研究的多样化。施友平【3 9 】研究了电主轴的矢量控制，使 得电流励磁分量和转矩分量得到解偶。张翊诚等【4 0 】用空间矢量脉宽调制技术替代 原理型直接转矩控制中的开关表，显著地克服了原理型直接转矩控制易产生抖颤 的缺点。熊万里等【4 l 】对高速电主轴的矢量控制进行了建模和仿真研究。张珂等 4 2 ，4 3 4 4 建立了电主轴直接转矩控制系统模型，并对该模型在负载恒定和变化时进行 了仿真研究。孟杰等 4 5 】试验测定了控制下某型高速电主轴的机械特性曲线。陈 重庆大学硕士学位论文 小安等 4 6 】等对高速电主轴的耦合电压进一步解耦，提高了电主轴高转速下的转矩 输出能力。 高速电主轴驱动控制研究的统一化。2 0 0 7 年，v a e z z a d e h 【47 8 j 深入探讨了矢 量控制和直接转矩控制的共性，首次提出了交流异步电动机的联合矢量直接转矩 控制( c o m b i n e dv e c t o rc o n t r 0 1a n dd i r e c tt o r q u ec o n 仃o l ，缩写c v c d t c ) ，并通过 仿真验证了该方法的正确性。b o u l 曲a s o u l 【4 9 】在v a e z z a d e h 的联合控制理论及仿真 基础上，在异步电动机上进行了试验研究，结果表明联合矢量直接转矩控制具有 高动态性能。李春菊【5 0 】对联合矢量直接转矩控制也做了一些研究。联合矢量直接 转矩控制通过直接转矩控制中的开关表来控制矢量控制中的定子电流进而控制电 磁转矩和磁链，是一种新型异步电动机高性能驱动控制策略，它是矢量控制和直 接转矩控制的有机合并，因此具有这两种控制方法的优点。 1 4 本课题的研究目的和内容 1 4 1 本课题的研究目的 本课题研究的目的在于深入研究高速电主轴的数学模型及矢量控制和直接转 矩控制在高速电主轴上的应用，并寻求其新的高性能驱动控制方法，以满足高速 机床高速加工对高速电主轴高速驱动控制性能日益提高的要求。另一方面，本课 题对实验室额定转速为1 5 0 0 0 印m 的1 7 0 m d l 5 y 2 0 型高速电主轴进行矢量控制、直 接转矩控制及联合矢量直接转矩控制建模、仿真及分析，为进一步将这三种驱动 控制方法写入试验台的工控机打下基础，这也是本课题的研究目的。 1 4 2 本课题的研究内容 本课题对高速电主轴的数学模型、矢量控制理论、直接转矩控制理论进行了 系统的探讨，并在m a t l a b s i m u l i i l k 中对1 7 0 m d l 5 y 2 0 型高速电主轴进行了矢量控 制、直接转矩控制建模、仿真和分析。在此基础上，深入分析了矢量控制和直接 转居控制的共性，对近年提出的联合矢量直接转矩控制进行了深入研究，将其应 用到高速电主轴的驱动控制中，并进行了建模、仿真及分析。 第1 章，说明了本课题研究的背景、来源及意义，简述了高速电主轴产品的技 术现状，重点综述、归纳了高速电主轴驱动控制的研究现状，最后交代了本课题 的研究目的和研究内容。 第2 章，介绍高速电主轴的基本结构、工作原理，重点研究了高速电主轴的数 学模型，包括高速电主轴电压矢量方程、电磁转矩矢量方程和机械运动方程，最 后对高速电主轴的驱动控制系统进行了介绍。 第3 章，推导了按转子磁场定向的矢量控制方程，根据此方程构建了高速电主 轴矢量控制系统原理框图，根据该原理框图在m a t l a b s i m u l i n k 中搭建了仿真模型， 1 绪论 按照1 7 0 m d l 5 y 2 0 型高速电主轴的参数设置仿真系统的参数，完成了控制参数的整 定，并对仿真结果进行了分析。 第4 章，阐述了高速电主轴直接转矩控制理论依据，在此基础上构建了高速电 主轴直接转矩控制系统原理框图，在m a t l a b s i m u l i n k 中搭建了其仿真模型，同样 按照1 7 0 m d l 5 y 2 0 型高速电主轴的参数设置仿真系统的参数，完成了控制参数的整 定，并对仿真结果进行了分析。 第5 章，深入探讨了高速电主轴矢量控制和直接转矩控制的共性，指出这两种 控制方法实质上具有相同的控制机理。在此基础上对一种新的高性能控制方法， 即联合矢量直接转矩控制控制，进行了分析。然后，按照联合矢量直接转矩控制 的思想，构建了高速电主轴联合矢量直接转矩控制系统的原理框图，并在m a t l a b s i m u l i l l l ( 中搭建了仿真模型，同样按照1 7 0 m d l 5 y 2 0 型高速电主轴的参数设置仿真 系统的参数，整定了该系统的控制参数。最后，对仿真结果进行了分析。 第6 章，对全文进行了总结。 1 5 本章小结 本章阐述了本课题研究的背景、来源及意义，简述了高速电主轴产品的技术 现状，重点综述、归纳了高速电主轴驱动控制的研究现状和发展方向。通过文献 查阅，得出高速电主轴的研究现状和发展方向主要为其自身模型的深化、无速度 传感器化、超高速化、高精度化、高鲁棒性化、多样化和统一化。最后交代了本 课题的研究目的和研究内容。 重庆人学硕士学位论文 2 高速电主轴的数学模型及其控制系统 2 高速电主轴的数学模型及其控制系统 2 1 引言 高速电主轴输入为电流、电压，输出为转速、转矩等，要想获得高速电主轴 的高性能驱动控制品质，首先要研究高速电主轴的数学模型。本章首先介绍了高 速电主轴的基本结构，然后分析了其工作原理，在此基础上，定义了空间复平面， 然后用矢量的方法推导了高速电主轴的数学模型，包括高速电主轴的电压矢量方 程、电磁转矩矢量方程及机械运动方程，最后对高速电主轴的控制系统的基本结 构进行了探讨。 2 2 高速电主轴的基本结构 与传统机床的“电机传动链一主轴”驱动、传动系统不同，高速电主轴直接将驱 动电机和机床主轴合装在一起，构成电主轴。由于通常其转速很高，又被称为高 速电主轴，其结构如图2 1 【5 u 所示。 43 2 1 图2 1 高速电主轴的基本结构 f i g2 1t h e 劬d 砌e n t a ls 缸u c t u r eo fh i g h - s p e c dm o t o r i z c ds p i n d l e s 1 油道2 主轴3 壳体4 刀柄5 前轴承6 转子7 汽隙8 定子9 水套1 0 后轴承 在图2 1 中，壳体是安装、固定整个电主轴的基础。壳体内侧装有定子，定子 往中心线方向过来是转子，定子与转子之间有很薄的气隙。转子与主轴以过盈方 式合装在一起，构成转子主轴整体。主轴左端为刀柄，可以直接夹装刀具对工件 进行铣削、磨削加工。主轴通过前、后轴承进行固定、支承，以保持良好的转动 特性。油道用于为前、后轴承输送润滑油，而水套用于对电主轴进行冷却。 9 重庆大学硕士学位论文 2 3 高速电主轴的工作原理 高速电主轴的基本工作原理是通过定子电流激发出定子磁场，定子磁场通过 切割转子绕组激发出转子电流，进而激发出转子磁场，定子磁场通过和转子磁场 相互作用，产生电磁转矩，使主轴运转，完成电磁能至机械能的转换。 图2 2 高速电主轴工作原理示意图 f i g2 2w o r k i n gp r i n c i p l eo fh i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e s 如图2 2 所示，高速电主轴定子三相绕组a 、b 、c 相位互差1 2 0 0 ，在定子中 通入三相正弦交流电在三相绕组中分别激发出正弦交变磁场，它们合成一个幅值 和转速恒定的磁场矢量。类似分析同样适用于转子三相绕组a 、b 、c ，只不过转子 中的电流是由磁场感应出来的。 记定子磁动势矢量为只，转子磁动势矢量为e 。由于转子存在感抗等原因， e 的旋转位置总是落后凡一个角度夙，。由电机学统一理论可知高速电主轴内置电 机的电磁转矩为 6 】 死= c m e e = c m l 只i i e i s i n 鲒 ( 2 1 ) 式中，c m 为与电主轴结构、材料相关的常数。 产生的电磁转矩可拖动转子旋转。在适当的驱动控制下，在刀柄上装上刀具 可对工件进行加工。 2 4 高速电主轴的数学模型 对高速电主轴数学模型的认识，是对高速电主轴高进行驱动控制的前提。本 2 高速电主轴的数学模型及其控制系统 文所说的高速电主轴的数学模型，是指描述高速电主轴的电压、电流、磁链、转 速、转矩等机、电、磁参数之间的关系的数学模型，不包括轴承支承模型、热态 模型等。本文所研究的高速电主轴为异步型高速电主轴，其内置电机为异步电动 机，故可用异步电动机理论对其进行分析。 2 4 1 物理量的矢量表达 a )b ) 图2 3 高速电主轴的空间复平面 f i g2 3t h es p a c ec o m p l e xp l a n eo fh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e s 高速电主轴气隙磁场在周向上是按正弦分布的物理量，可以用空间矢量来表 示。又由于电流、电压与气隙磁场具有对应关系，故又可用空间矢量来表示高速 电主轴的电压、电流。图2 3 为高速电主轴与转轴垂直的空间断面【5 2 1 ，这里将这个 断面作为空问复平面，用来表示高速电主轴的相关物理量。 在图2 3 a 中，由定子三相绕组轴线a b c 构成了静止的空间三相轴系。图2 3 b 中，转子三相绕组轴线a b c 构成了旋转的空问三相轴系，它在空间旋转的角度就是 转子的旋转角度研。取a 轴与复平面r e 轴重合，则b 轴的空间位置角度为口= e j l 2 ， c 轴的位置角度为口2 = e 1 2 4 矿。这样，定子三相电流的空间矢量分别可表示为f a ， 以拓和口2 记，它们的和亦为空间矢量。我们可以人为地用一个单轴线圈产生的电流 矢量来等效代替这个合矢量。考虑到功率不变约束，确定单轴线圈有效匝数为每 相绕组有效匝数的3 2 倍，于是可得电流合矢量 仁廖捌一2 z c ) ( 2 2 ) 重庆大学硕士学位论文 = 后h m 2 f c ) ( 2 3 ) 式中，上标a b c 表示是以转子自身轴系a b c 表示的矢量。将式( 2 3 ) 乘以变换因 子e j 跚可将转子转子电流矢量由a b c 轴系变换到a b c 轴系，即 = f ；d c e h 同理，定、转子电压矢量表示为 。= ；g a + 口甜b + 口2 甜c ) h 。= ；b 。+ 口甜b + 口2 “。) ”r = h ；b 。e j b 定、转子磁链矢量定表示为 缈。= 詈a + 口y b + 口2 吵c ) 缈? k = ；。+ 口沙b + 以2 沙。) ( 2 9 ) 妒，= y ，e 研 ( 2 1 0 ) 至此，完成了空间复平面的定义以及高速电主轴电流、电压和磁链从三相轴 系到空间复平面的变换关系的定义。 2 4 2 磁链矢量方程和电压矢量方程 经过推导，可得高速电主轴定、转子各相绕组的磁链方程为5 2 】 y s = 三。i s + 三m 缈，= 三m f s + 三，f ， ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 式中，三。、厶、三m 各为定子电感、转子电感和定、转子间互感。注意，这里三。、 厶、三m 为等效单轴线圈的电感，不同于三相绕组中一相绕组的电感。若一相绕组 中定、转子自感及它们之间的互感分别为三。1 、厶卜三m l ，则三。= 三。1 、厶= 厶l 、三m 2 ( 3 2 ) 三m l 。 定、转子电压矢量方程为 q $ 回 乃 黔 仁 q g q q 2 高速电主轴的数学模型及其控制系统 ”。+ 等 “；k 咄f ；b c + 辈 将上式转子电压矢量方程变换到静止a b c 轴系上，可得 h ，：耳+ 誓一j q 缈， 把式( 2 1 1 ) 和式( 2 12 ) 代入式( 2 13 ) 和式( 2 15 ) ，可得 盼 三拦轧十箍出s ) 式( 2 1 3 ) 至式( 2 1 6 ) 中，r 。、风分别为定、转子电阻；p 为微分算子； 速度；对于笼型转子结构，地= o 。 2 4 3 电磁转矩矢量方程 由文献 5 2 】，可知电磁转矩的矢量表达式为 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( ) ，为转子电角 瓦= 一，z d 缈，f ，( 2 1 7 ) 2 4 4 机械运动方程 转子在电磁转矩疋、负载转矩孔作用下，由力学知识有如下机械运动方程 疋：，孥+ 如q ，+ 瓦 ( 2 1 8 ) 式中，疋为电磁转矩，咒为负载转矩；，为电主轴转子主轴子系统的转动惯量；r n 为阻尼系数；q 为瞬态机械角速度。 至此，完成了高速电主轴数学模型的建立。高速电主轴在输入电压h 。、蜥( 笼 型高速电主轴转子蜥= o ) 下，遵照式( 2 1 6 ) 产生电流蟊、，再按式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 产生磁链沙。、帆，再按式( 2 1 7 ) 产生电磁转矩兀，再按式( 2 1 8 ) 产生转子机械转速q 。 应该说明，这只是原理性地说明高速电主轴的机电能量转换过程，实际上这一能 量形式的转换是非常复杂的。从以上各式可看出，高速电主轴是一个高阶次、多 变量、非线性、强耦合的复杂机电系统。 2 5 高速电主轴驱动控制系统 2 5 1 驱动控制系统基本结构 一般地，高速电主轴驱动控制系统由可由图2 4 几大部分组成，即整流器、逆 变器、高速电主轴以及控制中心。整流器、逆变器将电网电能输送到高速电主轴 重庆大学硕士学位论文 驱动电主轴工作。控制中心为了正确发出控制脉冲信号，需要检测高速电主轴的 转速及三相定子电流或电压，以对其工作状态做出正确观测。 图2 4 中，整流器比较简单，无需控制。控制中心使用的控制方法不同，其内 部结构也有很大的不同。下面对逆变器的开关状态和定子电压矢量进行比较详细 的介绍。 厂_ 图2 4 高速电主轴控制系统基本结构 f i g2 4t h e 向n d a m e n t a ls t m c t l l r eo fh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ec o n t r o ls y s t e m 2 5 2 逆变器的开关状态与定子电压空间矢量 b a 己厂 b c 图2 5 逆变器 f i g2 5i n v