【正文】 的鉆、銑用電主軸HF42 的轉(zhuǎn)速最高可達 140000r/min，英國 WestWind 公司的 PCB 鉆孔機電主軸D1733 更是達到了 250000r/min；瑞士 FISCHER 的 加工中心志用電主軸最高轉(zhuǎn)速達到 420xxr/min，意大利 CAMFIOR 達到了 75000r/min。 國內(nèi)外高速電主軸的差距 國內(nèi)電主企業(yè)國外相比在產(chǎn)品研發(fā)的能力、投入和技術(shù)的創(chuàng)新能力上相對落后，唯一具有的是相對成本優(yōu)勢，這并不樂觀。大多數(shù)企業(yè)目光短淺，基本上是在模仿國內(nèi)外的電主軸產(chǎn)品進行生產(chǎn)，這種短期效益帶來的后果是企業(yè)技術(shù)實力落后，嚴重缺乏創(chuàng)新能力，使行業(yè)畸形發(fā)展。 國內(nèi)外電主軸產(chǎn)品的差距無論是附件、性能、關(guān)鍵技術(shù)還是質(zhì)量上都是比較明顯的，主要存在以下差距 : (1)在電主軸低速段最大輸出轉(zhuǎn)矩，國外電主軸在可以達到 200N (2)在最高輸出轉(zhuǎn)速上，國外用于加工中心的電主軸的轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到 75000r／ min，而我國最高只到 20xx0r/min。 (5)在電主軸的支承技術(shù)上，國外成功研究出了采用動、靜壓液 (氣 )浮軸承和磁浮軸承的電主軸，國內(nèi)大多處于研發(fā)或小批量生產(chǎn)階段。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1895 年，德國的 提出直接轉(zhuǎn)矩控制 [3]的理論，就是在實現(xiàn)對磁鏈的控制的同時，也實現(xiàn)對直接轉(zhuǎn)矩的控制。根據(jù)這個特點，將六個工作狀態(tài)通過轉(zhuǎn)換可直接由六個非零電壓矢量來實現(xiàn)六邊形磁鏈軌跡以及磁環(huán)控制，從而實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制。 最近研究出一種更新型的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，為了解決超大功率傳動的問題，其逆變器采用軟件開關(guān)式，這使得開關(guān)頻率可以達到幾千 Hz。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展趨勢 直接轉(zhuǎn)矩因為系統(tǒng)簡單和性能優(yōu)良被廣泛運用，但是在理論和應用實踐方面重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 5 還存在許多需要進一步研究和解決的技術(shù)問 題。這使 無速度傳感器研究逐漸興起，并成為當前交流傳動中的熱門話題。所以如何選擇最佳開關(guān)控制策略還需要進一步的研究 。 論文主要內(nèi)容 本文主要介紹了高速電主軸直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和基本原理，并用MATLAB/SUMILINK 軟件根據(jù)高速電主軸內(nèi)置的異步電動機的數(shù)學模型建立仿真模型，從而進一步組建異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型。運用空間矢量的分析法，采用定子磁場定向，之后在定向的坐標系中計算與控制交流電機的轉(zhuǎn)矩，通過離散的兩點式調(diào)節(jié)（ BangBang 控制）產(chǎn)生 PWM 信號直接控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。 (21) 上式中 ：、 — 依次 為定子和轉(zhuǎn)子相電壓 、 — 依次為定子和轉(zhuǎn)子相電流； 、 — 依次為定子和轉(zhuǎn)子繞組的磁鏈； 微分算子。 所以需要對變量進行 2/3 坐標變換，這是 為了解除定、轉(zhuǎn)子 之 間非線性的耦合關(guān)系需要 。 根據(jù)上述規(guī)定，在定子坐標系下，可推導出異步電動機的方程 : （ 25） （ 26） 根據(jù)上述方程，可推導出定子磁鏈 、轉(zhuǎn)子磁鏈方程式： （ 27） （ 28） （ 29） 逆變器的開頭狀態(tài)及電壓空間矢量 逆變器的開關(guān)狀態(tài) 逆變器（見圖 22）由三組、六個開關(guān)（、）組成。 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理 9 表 21 逆變器的 8 種開關(guān)狀態(tài) 狀態(tài) 0 1 2 3 4 5 6 7 Sa 0 0 0 0 1 1 1 1 Sb 0 1 1 0 0 0 1 1 Sc 0 0 1 1 1 0 0 1 在 外部負載 作用下，這 8 種開關(guān)狀態(tài) 中逆變器可 輸出 7 種不同的電壓狀態(tài)。三相定子繞組相三相電壓、進行 PARK 矢量變換后，得到合成量。其空間電壓矢 量狀態(tài)為 ,對應的開關(guān)狀態(tài)是 011001101100110010其中 零電壓矢量 位于正六邊形中心。 電流模型法 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理 11 一般在高速段，采用電壓 電流模型法 。在定子頻率接近零時，此方法不適用，理由是作用在定子電壓和定子電阻間的差值消失，導致只有誤差被積分。定子磁鏈方程如下所示： (212) (213) (214) (215) 其中： 、 為轉(zhuǎn)子磁鏈在坐標系上的分量； 、為定子磁鏈在坐標系上的分量。另外，這些電動機參數(shù)也隨溫度和磁路飽和程度的變化而變化。為解決這一難題，可將兩種模型綜合到一起，這就是電壓 速度模型法。 空間電壓矢量對定子磁鏈及轉(zhuǎn)矩的作用 空間電壓矢量對定子磁鏈的作用 當把逆變器的輸出電壓直接加到異步電動機的定子兩端，此時定子電壓與逆變器電壓相等也為，得定子磁鏈與定子電壓關(guān)系式為： （ 214） 忽略定子電阻電壓降落的影響，定子磁鏈可近似為： （ 215） 該公式表明定子磁鏈空間矢量與電壓空間矢量之間的關(guān)系。其中，電壓空間矢量對定子磁鏈的控制可通過以下方式實現(xiàn)： （ 1） 在正常電壓空間矢量作用期間，有規(guī)律的插入零矢量對電動機進行控制，當有效的電壓空間矢量作用時，定子磁鏈運動軌跡沿著電壓空間矢量作用方向運動。通過改變電壓空間矢量的作用時間對異步電動機進行控制的方法，可以實現(xiàn)了恒功率調(diào)速。 （ 2） 減小轉(zhuǎn)矩：插入零電壓空間矢量，定子磁鏈會停止不動，定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度下降，進而小于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，從而減小磁通角，使對應的轉(zhuǎn)矩減小。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要組成有以下部分： （ 1） 磁鏈自控制：通過選擇正確的區(qū)段，使定子磁鏈成六邊形的方式運動 （ 2） 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)：主要實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié) （ 3） 磁鏈調(diào)節(jié)：對磁鏈幅值的調(diào)節(jié)和控制 （ 4） 開關(guān)信號選擇：綜合來自磁鏈自控制、轉(zhuǎn)矩調(diào)和磁鏈調(diào)的控制信號，形成相應的電壓開關(guān)切換信號，來正確地選擇電壓空間矢量。轉(zhuǎn)矩給定值可由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出得到，也可單獨給定得到。本章介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本組成部分，并推導異步電動機的數(shù)學模型，分析組成部分的基本原理。 因此， 可以用 計算機仿真 來代替需要 用模型進行實驗的， 再根據(jù) 被仿真系統(tǒng)的工作特點 ， 選擇最佳參數(shù)和設計最合理的系統(tǒng)方案。 現(xiàn)在 MATLAB 軟件不但廣泛的應用于控制領域，也應用與其他的工程領域和非工程領域。 Simulink 由于 采用可視化組態(tài)技術(shù)建模，具有 簡潔 直觀、方便的優(yōu)點。在 仿真 模型 完成 后， 借助于 MATLAB 強大的可視化輸出功能模塊， 用戶 可以通過 Simulink 菜單或 MATLAB 的命令來對它進行仿真 和 分析 。之后直接從 SUMILINK 的模塊庫中找出直流電源（ DC）、逆變器（ Universal Bridge）、三相測量模塊 ThreePhase VI Measurement 及高速電主軸組成主電路，兩根據(jù)圖 27，將各模塊按一定原則連接起來，這就組成了一個直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器采用施密特觸發(fā)器，輸入信號為轉(zhuǎn)矩給定值 gT 與轉(zhuǎn)矩反饋值 fT重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的 MATLAB/SIMULINK 仿真 18 的信號差 T? 。在 1?QT作用下，得到相應的電壓空間矢量，使得定子磁鏈前轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩上升。如圖 33 所示。引入容差寬度??? ，它是定子磁鏈幅值 g? 與給定幅值 f? 之間允許的波動范圍，磁鏈調(diào)節(jié)器輸重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的 MATLAB/SIMULINK 仿真 19 入量為給定磁鏈幅值與反饋磁鏈幅值之差，輸出兩為磁鏈量開關(guān)信號Q? 圖 34 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器 磁鏈調(diào)節(jié)的主要任務調(diào)節(jié)磁鏈大小。 圖 35 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器 3 .磁鏈觀測器 磁鏈觀測器的作用是根據(jù)經(jīng)三相轉(zhuǎn)換后的電流及電壓來計算磁鏈大小和轉(zhuǎn)矩，其結(jié)構(gòu)如圖 36。 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的 MATLAB/SIMULINK 仿真 21 圖 38 開關(guān)電壓選擇 仿真的主要對數(shù)設置 在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) SIMULINK 仿真中，異步電動機模型規(guī)定參數(shù)設定為：額定功率 W20KpN ? ，額定電壓 v350?NU ，額定頻率 Hz500?Nf ，定子電阻?? ，轉(zhuǎn)子電阻 ?? ，定子漏感 ?sL ，轉(zhuǎn)子電感 ， 定 、轉(zhuǎn) 子互 感 ?mL ， 極 對數(shù) 2?np ， 轉(zhuǎn) 動慣 量?J 2mkg? 。圖 37 三相電流波形起動時波動較大，達到穩(wěn)定后基本為正弦波形，電流諧波分量小，控制平滑；圖 38 的輸出轉(zhuǎn)矩可看出，啟動階段轉(zhuǎn)矩迅速達到最大值，當系統(tǒng)趨于穩(wěn)定后，輸出的轉(zhuǎn)矩近似為給定的負載轉(zhuǎn)矩。 改變轉(zhuǎn)速 在負載 TL=0 時，轉(zhuǎn)速每隔 按照 15000r/min、 5000r/min、 10000r/min變化，得到以下曲線。由圖 4 48 可以看出，當給定轉(zhuǎn)速發(fā)個階躍時，電動機的轉(zhuǎn)速能迅速跟隨給定值轉(zhuǎn)矩迅速響應并到達穩(wěn)定狀態(tài)。由 41 412 可看出電機的轉(zhuǎn)速在不變時，轉(zhuǎn)矩響應速度不變，且到達穩(wěn)定后，波形變化不大，說明在穩(wěn)定狀態(tài)下受到負載影響很小，幾乎可以忽略不計。為保證高速電主軸運行過程中優(yōu)良的性能，需要對高速電主軸采用恰當?shù)目刂品绞健? 隨著現(xiàn)代科技 不斷 進步 ， 直接轉(zhuǎn)矩控制 以及 現(xiàn)代的最新科技 的加入 是提升生產(chǎn)力的必然選擇。 沒有合燁老師、周明紅師兄的指導，我的畢業(yè)設計是不可能完成的。 重 慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 參考文獻 31 參考文獻 [1] 張伯霖 . 高速切削技術(shù)及應用 [M]. 北京 : 機械工業(yè)出版社 , 20xx. 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