（电机与电器专业论文）机床转台直接驱动力矩电机及其控制器研究.pdf

沈阳工业人学硕十学位论文 t 1 1 er e s e a r c ho f t h ed i r e c td r i v et o r q u em o t o ra i l di t sc o m r 0 1 l e rf o r m a c h i n e sr o 伽了t a b l e a b s t r a c t t h ep e r f o r n l 锄c eo f t l l er o t a r yt a _ b l er o t a 虹v ef e e d f v oi sm o 觚dm o r ei m p o 衄l t 、 r i m 血c d e v e l o p m e n to f m o d e ma d v a n c e d 肌m e r i c a ic o m m lm a c l l i l n e ；t l l er c a r c ho f m t a t i v es e r v oi s m e a n i n g f h l t h ed i r e c t 础v ep c 咖锄锄tm g l l c ts y i l c h r o n o 璐蕾0 r q l 圮m o t o ru df o rm a c h j n e r o t a r yt a b l e 辩“oi ss t u d i e d t h ec h a m c 锄s t i co fd i r c c td r i v ep e r m a n e mm a g n c tr i n gt o r q u em o t o ri s 觚a l y z e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fh i g ht o r q u ed e n s i t ya i l dl o wt o r q u er i p p l e ，t h em o t o r a p p l i c a t i o np l a c e ，a i l dp r a c t i c a ld e s i 盟e x p 甜e n c e ，t l l ei l l i t i a le l e c n d m 删i cs o l l i t i o ni s d e t e r n l i n e d ，w h j c ha d o p t so l n 盯r o t o r m u h i p o l e ，m a g n e t 洲d 搬m o u n t c d ，疔a c t i o n a j s j o t n o n o v e r l a p p i n gw i n d i n g ，s t a t o r o l e d 锄d 帆c o 璐i 捌n gt h es 虮l c t u 聆s p e c i a l 够锄d 恤 p r e c i s i o n 陀q l l i r e i n c n to fm em o t o rd e s i g n ，t h ef i | 血ee l e m e n ta 1 1 a l y s i sm e m o di sd i r e c t l y 印p l i e dt ot l l ee l e c 咖m a g n e t i c 锄a l y s i s 趾dc a l c u l 撕o n 1 1 1t l l e 、柏甲o fi i l c r e a s i n gt o r q 雠d e i t ) ro fm em o t o r 姐dr e 蛐蛐gt h et o r q l l er i p p l e ，t h c t o r q l j ep e r f b m l a n c eo ft l l em a t o ri so p t i m i z e d a c c o r d i n gt 0t i l em o t o rs p e c i a n ym a tt i l es l o t m i i r 【b e r 趾dt l 玲p o l en m b 盯i sp r o x i m a 蛾t 1 1 em 崩1 u a lt e e t ht i p s 、】i ，i d 也i sp r e s e i l t e df o r o p t i m i z i n gt o r q l l ed e 船n y d l i et ot l l ep r 0 性n yt h a t 她m i l l i m 啪c o m m o nm u l t i p l eb e 帆i 肌 t l l es l o tn u m b e ra n d 山ep o l en 啪b e ri sl a r g e r ，t h ep o l es k e 谢n gi sp r e s e r l t 耐，m i sm e t l l o dc 孤 r e m o v et 1 峙l o wt l a 咖o l l i cc o m p o n e mo ft o r q u e r i p p l c ，a l s ok e e p st h el l i g h e r 、i n d i n g c o e m c i e n t t h ef i n j t ee l e m e m 孤a l y s i sr e s u l 协p r o v ct h em t i o n a i i t ya n d v a l i d i t ) ，o f t l l ed e s i g n m e t h o d ，a n dm e s em e 嬲u r e m e n t sa r ci m p o r t 姐tt 0i i i l p r o 、，i n gt l l em o t o r r v oq u a l i t y t h e e l e c 们m a 驴c t i cp a r 锄e t e r sa d e t c 椰l i n c da f i c rt h eo p t i l n i z a t i o i l ，锄d 幽n g 龇m e c l l a n i c a l t e c l l l l i q u ei n t oa c c o u mt h ep r o t o t y p ei sm a d e t h em e a s u r c dr e s u i t sp r o v et l l ec o f r e c t n e s so f d e s i g nm e t l l o d s 1 1 l cp e m a i l e n tm a 圈i e ts y n c h m n o 惦m o t o rc o r l 仃o ls y s t c mi sb i l i n 谢1 ht m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a nu s e si r 2 1 3 0f o rt h ei g b td r i v e ，a i l db o t l lm e 哪矧a n d 咄埘l tl o o pa r el l s e df o rh 砷 c o n t r o lp f e c i s i o n t h eh a r d 咄i sr e a s o 曲b l e ，a n dt h es y s t e mh a st h es e l f p r o t e c t i o n 缸l c t i o n 机床转台直接驱动力矩电机及其控制器研究 t h cp r o g m mi nd s pr e a i i z c sm ec u n n ts 枷p l e ，s p e 耐c a k u l a t i o 玛c o o f d i m 岭缸锄s f o h n a t i o n a n ds p ev c c t o rc o m m l t h es y g t e mh 勰t h ep e d 0 m l a n c eo fl l i g hp r c c i s i o n 觚ds 仃o n g 陀a l t 硫，w i l i c hc 观m a k et l l em o t o rs a l i s 母f o rt 1 1 ed e m a n do f l l i g hp f e c i s i o nm h i n i i l 辱 k e yw o r d s ：d i 愀td r i v e ，t o r q u em o t o r ，f 憎c t i o n a ls i o t ，u n e q 岫lt e e t ht i p s ，t o r q u e 耻p p i e ，s p a v e c t o rc o n t r o i i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文c j 特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：立量日期：竺：2 ：! ! 。! 兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：2 缸导帅签名：1 丝缸日期：翌1 21 ：! 兰 沈阳t 业大学硕+ 学t i ) = 论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景、目的和意义 随着时代的进步，科学技术得到了突飞猛进的发展。作为衡量一个国家科技能力的 装备制造业，越来越受到各国的普遍重视而成为重点发展的对象，而数控技术及装备又 是当今先进制造技术和装备的关键核心之一。数控机床的生产能力和水平是衡量一个国 家综合实力的重要标志。 为紧跟国际发达国家的步伐，我国也计划在“十一五”期间大力发展装备制造业，对 数控技术及装备的性能和精度要求也不断的提高，从而要求数控装备附件的精度和性能 也必须不断提高，其自动化水平也必须日益完善。数控转台伺服系统作为数控装备附件 中的关键硬件设备，其性能的优劣直接关系到设备加工的精度，是保证加工工件，尤其 是像螺旋桨叶片和高精密斜齿轮等曲面工件的精度的基础，因此对转台伺服系统的研究 和制造具有重要的意义。 当前，数控转台伺服系统仍然主要采用高速伺服电机+ 齿轮传动的驱动方式，由于 存在着机械传动链，虽有较好的静态刚度，但是，这种进给方式要完成启动、加速、减 速、反转及停车等运动时，产生的弹性变形、摩擦和反向间隙等造成机械振动、运动响 应慢、动态刚度差及其它非线性误差。因而难以实现高精度加工。而解决上述问题的途 径之一就是采用直接驱动技术实现“零传动”。两种传动方式的最大区别就是取消了从电 动机到工作台之间的一切机械中间传动环节，如图1 1 所示，伺服系统省掉了机械速度 变换机构，将负载与电机的转子直接相连，把控制对象同电机做成一体化结构。正是由 于直接驱动方式，电机的谐波转矩以及电机的电磁振动等因素都将直接影响到转台的伺 服精度和工件的加工质量。另外，由于回转送进的外形尺寸小，机械结构复杂而紧凑， 且要求中空孔径较大，因此，在如此受限的空间内又要产生较大的转矩以满足切削强度 和动态响应的要求，就必须设计出高转矩密度的伺服电机。同时，转台亦在向快速、大 扭矩方向发展，亦需要上述的高转矩密度的环形力矩电机。如日本津田驹工业株式会社 的击3 2 0 机械双转台允许切削扭矩为7 8 0n m 。而解决以上这些问题，不仅要求有一个较 好的电磁设计方案，而且对电机加工工艺也提出了很高的要求。 机床转台直接驱动力矩电机及其控制器研究 负 a ) 齿轮减速系统 ”旋转力矩电机直接驱动系统( d d r ) 图1 1 旋转进给中的直接驱动方式 f i g 1 1 d i r t d d v c m o d c i n f o t a t i s e o a ) g e 甜如w ns y s 把m b ) r o 扭t i n g 协r q m o 锄d i r e c td r i v es y s l e m 直接驱动技术对转台的日益苛刻的高速、高精度的技术指标要求，给转台的制造水 平提出了新的课题，同时也给转台力矩电机和控制系统的设计要求与实现提出了更高的 要求，高性能的电机和伺服控制系统是保证转台高性能的前提之一。 因此，本论文以国家自然科学基金项目“数控机床回转送进精密直接驱动技术及其 控制策略研究 ( 5 0 3 7 5 1 0 2 ) 为背景，对转台伺服系统中的一些关键技术问题展开研究，以 求通过电机和控制器的优化设计来提高各项性能，使其达到或者超过各项性能指标。随 着高性能的永磁同步力矩电机和伺服控制器的发展和应用，直接驱动技术的应用将大有 前途。 1 2 转台直接驱动伺服系统的发展现状 随着新材料技术，先进的电力电子技术和传感器技术的不断发展，现代高档伺服系 统不断推陈出新。2 0 0 3 年7 月初，米克朗五轴联动高速铣削柔性单元h s m 4 0 0 u 在位于 上海市外高桥的米克朗中国高速铣削应用开发中心亮相。h s m 4 0 0 u 是世界上第一台五 轴联动高速铣削加工中心【l j 。工作台的旋转轴采用了目前最先进的直接驱动技术，其速 度可达1 5 0 0 0 ，s 、加速度可达1 7 2 0 0 。，s 2 这大约是过去速度的1 0 倍。完全满足了高速铣削 对进给速度的要求。还有，e t e l 公司曾为一台大型天文望远镜提供一台直径达2 5m ， 而厚度仅为4 0m m ，扭矩达1 0 0 0 0n m 的环形扭矩伺服电机，在回转速度为5 6 天转l 转的条件下，还能极为平稳均匀地回转。 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 国内此项技术尚处于起步阶段，在2 0 0 5 年4 月北京国际机床展览会上北京钧义志 成公司展出了一台自制力矩电机；中捷机床厂展出了带回转工作台的加工中心，转台电 机扭矩达到1 9 0 0n m ，但该转台只能作分度使用，在金属加工时须处于抱闸状态，无法 实现转台边转动边加工，因而，机床无法实现对曲面零件的加工。 同时，国际公司也纷纷推出自己的力矩电机产品和伺服控制器产品。 力矩电机的成功应用轰动了国际机床界。许多发达国家及大公司都投入了大量的精 力从事研究此项技术，在2 0 0 5 年4 月北京国际机床展览会上，s i e m e n s 、f a n u c 、 k o l l m o r g e n 等公司均有相应的力矩电机产品展出。下面是国际上几家知名公司的力 矩电机参数对照如表1 1 所示： 表1 1 国际上几家知名公司的力矩电机参数 t a b 1 1t h et o r q u em a t o rp a r a m 种e ro f 辩v e r a lf a m 0 吣c o m p 锄yi nt h ew o r l d 其中，c y r e c 公司所采用的是永磁外转子结构，电机体积小、转矩密度大，其余 公司都是内转子；各家公司都采用水冷封装。 国内对应用于机床进给伺服的力矩电机未见报道，有相关低速大扭矩电机，特别是 市用于电梯的电机产品已有相当规模的发展，沈阳蓝光公司、宁波欣达公司、北京华滨 自动控制技术公司、山东百斯特电梯有限公司、常熟曳引机厂、北京名正维元公司都在 进行永磁同步无齿轮曳引机的研制，一些样机已经进行了实验1 2 j 。 今天，强大、快速的计算系统已充分能满足现代机械工程对电路控制的要求，伺服 控制器得到了快速的发展，特别是高精度的机床伺服驱动放大器，国外许多著名公司对 伺服控制器的丌发已有很长一段时间了，如s i e m e n s 、f a n u c 、k o l l m o r g e n 、k e b 、 机床转台直接驱动力矩电机及其控制器研究 安川、三菱等公司，以k e b 为例，编码器识别分辨率可达到2 4 位，3 2 位c p u ，斩波 频率可达1 6k h z 。从整套伺服系统来看，以e t e l 为例，可提供电机外径尺寸范围由 1 2 0m m 至1 2 6 0m m ，扭矩从1n m 至1 8 0 0 0n m ，定位精度可达o 5 ”，重复精度达0 0 l ”， 最低转速可达o 0 0 l 蛐。 国内也有如华中数控、广州数控等几家著名公司可提供性能优良的伺服系统。 1 3 转台直接驱动伺服系统的研究热点 由于正弦波永磁同步电动机( 又叫三相永磁同步电动机1 kp e m 趾e n tm a 辨e t s y n c h r o n o mm o t o r ，简称p m s m ) 比方波永磁同步电动机有较高的精度，而将其作为所 研究力矩电机的选择类型。目前，由于对永磁力矩电机的参考文献很少，本文主要对正 弦波永磁同步电动机的研究进行了总结，大致包括：p m s m 设计方法与参数计算的研究； 消除或抑制转矩波动的分析；数学模型的建立；以及对其驱动系统进行仿真的研究。国 内外许多学者都做了大量的工作。 2 0 世纪8 0 年代前后，对应用钕铁硼材料制造p m s m 的研究发展很快。对于p m s m 的运行特性，性能分析的研究，有较多的文章，但其沿用的方法与传统的交流电机的分 析方法相近。利用这种方法来分析电机性能其结果与实测值有较大的误差。对于这一问 题，除去工艺方面的因素外，就是对p m s m 的数学建模以及参数计算尚欠准确，对于 永磁体的引入对电机参数的影响考虑不够。这方面，f p a f 鹪i l i t i 等采用了有限单元法研 究分析p m s m ，被认为是较为理想的分析方法口】。近年来，这方面的工作有许多人在做， 也提出了一些有意义及有效的分析方法。例如：在国内，唐任远院士在其著作现代永磁 电机理论与设计中对各种结构的永磁电机做了较为系统的研究【4 】。国外，g ”- h o n gk a l l g 等人提出了一种改进的p m s m 的参数模型5 1 ，在考虑电流相位角和负载变化的情况下来 计算d ，q 轴电感。e d w 盯d c 1 0 v e l a c e 等人也提出了一种在考虑饱和效应的情况下，利用 等效磁路来分析d ，q 轴电感的方法1 6 】。关于转矩波动的消除方法也有很多，i b n g h a iq u 等 人提出槽口偏移设计和改变永磁体宽度的方法【7 】。对于p m s m 及其驱动系统进行建模和 仿真的研究也有许多学者做了大量的工作扣i l l 。文献【3 】又提出了基于磁路一电路耦合的 数学模型，对p m s m 及其驱动系统进行仿真。 一4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 对于低速p m s m 及其驱动系统的研究，也有不少学者做了大量的工作，比如：文献 【1 2 】提出了一种脉振磁场永磁低速同步电动机，并对其磁场分布以及电感参数进行了分 析。文献【1 3 ，1 4 】均提出了一种新颖结构的p m s m ，并对其如何消除低频转矩脉动的设计 做了深入的探讨。国际上，l gw 粕g ，k t c h 肌等人利用场路结合法来分析了低速大 转矩p m s m 的特性【1 5 l 。 进行更深入地研究低速p m s m 及其驱动系统是十分必要的，而且其前景也是十分 广阔的。 查阅控制器的相关文献，本文关注的是基于空间电压矢量的直接转矩控制的研究。 基于空间电压矢量的直接转矩控制技术最早由t g f h a b e t l 盯、f p r o 硒o 、m p a s t o 陀l l i 和 l m t 0 l b e n 等人于1 9 9 2 年应用于感应电机驱动中【1 6 1 。2 0 0 1 年l 1 锄g ，l z h o n g 、 m f r a b m 锄和y i u 等人从同步电机转矩角控制转矩这一本质出发提出了基于转矩角 控制方案 1 8 】，并首次把该项技术成功应用于永磁同步电机驱动系统中。其主要思想是： 在一个控制周期中选择相邻的两个运动矢量和一个零矢量，计算出每个矢量作用时间， 从而合成出所需要的任意空间电压矢量，实现转矩快速控制及转矩和磁链的无静差控 制。 1 4 研究步骤 稀土永磁力矩电机本体设计主要包括电机结构样式的选择、电磁设计、热计算、机 械结构设计、冷却、噪声等分析计算，涉及多方面知识，往往一个电机的设计需要经过 不断反复修正计算才能得到比较合理的方案。本文所采取的设计步骤是：首先确定电机 的结构形式，然后进行电机的初步电磁设计，再根据所设计的结果进行分析、验算设计 的合理性并提出可能的调整方案，减少实物制造和测试的时间和开发费用，然后根据确 定的电磁设计参数进行机械结构设计，最后制作实物，并设计驱动电路，实际测试电机 特性。电磁设计和结构设计是其中最主要的两个方面。电磁设计主要是根据给定的额定 值和技术性能要求，选用合理的电枢绕组和电机材料，确定电动机各部分的尺寸，并计 算其性能，以满足用料省、制造方便、性能好、经济效益高等要求，这里由于所研究电 机将用于低速高精度场合，并没有用传统等效磁路法来设计，为提高计算的准确程度， 机床转台直接驱动力矩电机及其控制器研究 直接进行电磁场的数值计算和分析；结构设计主要是根据电磁设计得到的关键参数，完 成最后可供电机生产的图纸，为最终加工和生产得到用料省、制造方便提供依据。 随着现在很多专业的电机设计软件和三维结构设计软件的出现，普遍利用快捷、方 便，优秀的软件进行电机设计。但由于电机设计涉及多方面的知识，这些软件在编写设 计软件时往往各有侧重，对同一个问题可能会从不同的角度进行了分析、处理和设计， 因而各有所长，而且随着新材料和新工艺的出现，利用一种软件进行设计往往对设计者 的水平要求较高或者有失偏颇，这时有必要利用多种设计软件来进行分析、比较、调整， 以便使设计更加准确、合理，节约设计成本。 1 5 论文的整体架构 第一章为绪论，在国家自然科学基金项目“数控机床回转送进精密直接驱动技术及 其控制策略研究”( 5 0 3 7 5 1 0 2 ) 的背景下，对伺服系统的发展现状进行了概括，讨论了永磁 同步电机和伺服控制器的研究热点，并提出了自己的研究步骤。 第二章首先阐述了永磁力矩电机的结构和特点，及其控制原理；然后提出了永磁力 矩电机的初步方案，并详细论述了电机参数的选择方法。 在第二章的基础上，第三章给出了电机的具体参数，然后用有限元进行了性能参数 的计算；并对该电机进行了优化设计。 第四章通过对关键器件的选择，并具体分析了各个环节的可靠性和性能参数，完成 了控制器的硬件设计：同时提出了完整的软件框架。 第五章为样机实验研究，实际测量了样机的性能参数。 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 永磁力矩电机基本方案设计 2 1 环形力矩电机 环形力矩电机可以是三相感应电动机，也可以是三相永磁同步电动机，目前多采用 后者。图2 1 是环形永磁力矩电机的结构示意图，图中结构是内转子型，也可以做成外 转子型。图2 2 是环形永磁力矩电机直接驱动转台的示意图。 支撑框絮 图2 1 环形永磁力矩电机 f i g 2 1r i n g p m 砌r q m m 咖 轴承 码嚣 转予 定子 机集 图2 2 环形永磁力矩电机直接驱动转台 f i g 2 2d i r e c t d r i v e 咖诅b l e w i n lr i n g p m t o r q m 咖r 机床转台直接驱动力矩电机及其控制器研究 力矩电机运行的特点是高转矩，低转速，即使在静止时也能提供很高的电磁转矩，因 此一般称之为力矩电机。 环形永磁力矩电机是一种为转台直接驱动专门设计的三相永磁同步电动机，它在结 构上有以下特点： ( 1 ) 直径长度比很大，轴向长度很短，转轴是中空的，转子呈薄环状。这种结构 保证了低惯量，也适应了旋转工作台的整体设计要求，转轴中空也为优化机械设计增大 了柔性。 ( 2 ) 可提供高转矩。 环形永磁力矩电机的转速通常低于1 0 0 0 转分，这对多数数控机床转台已经足够了。 这种转台可以单独做成产品，它与三轴数控机床配置，增加机床自由度，扩展机床 功能，可以加工复杂零件，例如大型斜齿轮的磨削等。 机械加工要求转台应具有高精度和优良的动态性能。转台要求电机能快速而准确地 旋转工件( o t h e n l f 圪 o t h e n i k = d k ：孤州一啪 i l k = 一孤耐一 彳= l ，e l s e 彳= o ： 8 = l ，e l s e 。日暑0 ： l ：毛1 ，e l s ec = = o ： = 4 + 2 占+ 4 c ( 4 1o ) ( 4 1 1 ) 毫氅路刁 表4 1n 和乃赋值表 t a b 4 1e v a l l l a 瞳et a b i e e 囊 一神一 沈阳工业大学硕士学位论文 给三个全比较寄存器c m p r x ( x _ l 、2 、3 ) 分别赋值，令： i 瓦= 叮一瓦一疋) 4 瓦= l + 正，2 【瓦= 瓦+ 疋，2 表4 2 切换点赋值表 t a b 4 2s w j t c hp o i n te v a l u 锄et 曲l e ( 4 1 4 ) 在d s p 控制中，由对称的三角波与三组比较器( c m p r l m p r 3 ) 值作比较产生 的p w m 波分别驱动对应的a ，b ，c 三相桥。 小结 完成了基于s v p w m 的永磁同步电机控制器。其中硬件设计完成了 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理器及其外围控制电路、电流检测环节、编码器信号处理、 驱动控制电机及主电路、保护电路等；软件设计主要包括主程序和定时器下溢中断子程 序。 机床转台直接驱动力矩电机及其控制器研究 5 实验研究 5 1 力矩电机及转台的制造 根据设计要求，已设计力矩电机一台，如图5 1 所示。如图中可见，力矩电机定子 与转子独立分开，需通过转台套件将电机组装起来；定子绕组采用环氧树脂封装；定子 内环为电机冷却结构，如图5 2 ，设计时考虑了防止冷却液渗漏到绕组，采取了相应的 隔离措施；转子永磁体斜极装配设计了相关辅助工装永磁体定位套，既保证了斜极 的安装精度，又使安装方便容易。其余的转台机械部件也已由北京合作单位加工完成， 如图5 3 ，并已将整套转台系统装配完成，如图5 4 的转台剖面图。在此基础上，我们分 别进行了电机本体性能测试。以及转台和控制器联调试验，并作了相关记录。 图5 1 力矩电机定子和转子 f i g 5 1t h es t a t o r 觚d 1 0 缸o f 劬q u em o t o r 图5 2 定子冷却套 f g 5 2t kc o o l i n g 如m eo f n 艟s t a 雠 沈阳工业大学硕士学位论文 图5 3 转台系统 f 培5 3r ( ，t a 巧t a b l e 图5 4 转台剖分图 f 嘻5 4 t h e m e s h p l m o f t t l e 嗍t a b l e 5 2 电机本体性能测试 电机本体性能测试包括反电势常数测试，转矩常数测试，空载转矩波动测试；由于 实验条件有限，暂时没有进行电机温升试验。 1 ) 可测得样机的反电动势波形非常接近正弦，在电机转速为1 5 3r i 柚时其幅值为 1 3 8v ，如图5 5 ，而根据电磁场数值方法求得的反电动势的幅值为1 3 9 5v 。可见，由 电磁场数值计算方法来求解永磁力矩伺服电动机的反电动势是足够准确的。 机床转台直接驱动力矩电机及其控制器研究 a 1 ， 、，t 。r 1 一 一”一 。一。一。：”u - 一一v 一 、，l 一，。一o i -i一 价 图5 5 实测电机反电势波形 幻a 相反电动势波形”b 相反电动势波形 f i g 5 5 1 1 1 e 越m db a c k e m f 掣讪 a ) b k e m fg r a p ho f p h a 辩ab ) b a c k e m f g r a p h o f p h 瓠e b 2 ) 转矩常数测试装置示意图如图5 6 ，此时，重物g ：6 6k g ，力臂长净1 9 1c m ，杆 长炉1 7 lc m ，杆自重g 产7 6k g ，调节线电流卢2 5a ，刚好使杠杆取得平衡。可计算得 到”卢8 1 4 8n i n ，a ：将重物在杠杆上移动，改变力臂长后固定，再调节电流使杠杆取得 平衡，记录g ，g 。，f ，f s ，j ：重复以上步骤，可得到如图5 7 的曲线图，与有限元比较， 误差在1 0 以内。 沈阳工业大学硕士学位论文 图5 6 转矩常数测试装置和绕组通电示意图 f 昏5 6t o r q 嘴c o 船诅“n e 硒啪e n te q l i i p m e m 雏dw 妯d i n gc w r e mn o w s k 鼬c hp l o t 图5 7 转矩与电流关系曲线 f i g 5 7t o r q m 祁dc 唧m 糟l a t i g 髓p h 3 1 图5 8 为空载情况下，转子从啦3 6 0 度( 电气角度) 的转矩波动曲线，波动峰峰 值为7 n m ，与第三章中的计算值1 6 n m 有一定误差，这可能与电机制造和测试方法有 关，但总体上趋势与理论分析一致。测试得到的转子转过一对极的转矩波动次数为6 。 _ r i 图5 8 实测空载转矩波动曲线 f i g 5 8m e 罅u r e dt o r q mr i p p k 脚州t i l o i l il o a d 机床转台直接驱动力矩电机及其控制器研究 5 3 电机控制系统实验分析 因为时间仓促，未来得及将控制器与样机联调，这里选用额定功率为o 5k w ，额定 转速为3 0 0 0 译m ，额定电压为1 2 9v 的普通永磁同步伺服电机作控制器联调试验，其实 验控制板装置如图5 9 所示。 图5 9 电机控制系统图 f 唔5 9 m 咖r c o n 乜“s y g 旧np l o t 渊瓢翟戮瑚锄 ；0 0 矗譬0 0 o 讧0 t o _ 叠。一 !j；ii；jij! 矗i - 萄“靠诺蚶i 图5 1 0a 相上下桥臂p w m 波形 f i g 5 1 0p w m w a v e so f p h ea 沈阳工业大学硕士学位论文 图5 1 l 电机两相桥臂p w m 波形 f 晷5 1 lp w m 啪v 嚣o f t w op h a s 嚣 图5 1 0 为电机a 相的上下桥臂p w m 波形，可以看出之间有一段死区，可以起到 保护l g b t 的作用。图5 1 1 为电机两相的p w m 波形，其周期为6 0 “s ，利用这种脉宽 调制可以控制电机的转速。 图5 1 2 、5 1 3 为电机空载情况下的电流、电压波形，可以看到图形中有明显的斩波。 但也可看到图中波形谐波分量较大，且有一定的毛刺，需要采取进一步的措施如：提高 系统检测精度，a 巾转换精度、软硬件滤波来改善电机的运行状态。 图5 1 2 电机电流波形图 f g 5 1 2t h e m o t o r c 删w a 坩 图5 1 3 电机电压波形图 f i 晷5 1 3 1 1 l e m o t o r v o l t a g e w 孙，e 机床转台直接驱动力矩电机及其控制器研究 经p i 参数调节，测得电机空载情况下7 5 0r p m 时的转速波形如图5 1 4 所示，速度 值直接由d s p 计算存储，速度计算一次的时间为2 8 个程序运行周期。 图5 1 4 电机空载转速波形( 7 5 0r p m ) f 谵5 ，1 41 k m o 协rs p d 妒a p hw i t h o u li o a d ( 7 5 0r p m ) 以上仅为机床用伺服电机控制系统的初步模型，要达到高速高精度的目的，还要在 硬件设计和软件编程上进行完善，并采取适当的控制算法来补偿力矩电机的转矩波动， 从而满足于机床用伺服系统的要求。 经过研究和分析，本驱动系统还需要在以下几个方面进行完善： ( 1 ) 提高光电编码器和电流传感器精度，以便德到精确的位置信号和电流反馈， 满足于精确伺服的要求，检测性能的好坏将直接影响控制系统的运行特性。 ( 2 ) 进一步调整p i 参数，使系统闭环运行达到稳态无静差，并进一步消除计算误 差。 ( 3 ) 选用合适的i p m 模块，使功率模块i g b t 和其驱动芯片构成一体，以便具有 更好的驱动能力和保护功能。 ( 4 ) 为进一步达到伺服系统的高动态响应，实时性要求，需增加g a l 、c p l d 等 芯片，使d s p 更多的用于计算功能，利用分工协作来使伺服系统更好的满足高速高精 度的要求。 沈阳工业大学硕士学位论文 小结 本章介绍了样机的研制，并对电机样机进行了测试，同时对控制器进行了实验分析， 测试结果表明理论设计的合理性，能较好符合设计要求。 一5 9 机床转台直接驱动力矩电机及其控制器研究 6 总结 6 1 论文完成的工作 在国家自然科学基金项目“数控机床回转送进精密直接驱动技术及其控制策略研 究”( 5 0 3 7 5 1 0 2 ) 的资助下，以直接驱动伺服系统为研究对象，针对环形永磁力矩电机电 磁方案设计和优化，结合s v p w m 控制等方面的问题进行了一些探索性研究，论文完成 的主要工作如下： ( 1 ) 对伺服系统的发展现状进行了概括，讨论了永磁同步电机和伺服控制器的研究 热点，并提出了自己