【正文】 致謝 30 致 謝 能夠完成這篇論文，首先要感謝合燁老師，從選課開始到仿真模型的建立，再到論文的完成，合老師在畢業(yè)設計的總方向上給我很多指導，并提出了很多寶貴的意見及方法，助我完成了畢業(yè)設計的工作，在此表示對合燁老師崇高的敬意和真摯的感謝。 （ 2）利用 MATLAB/SIMULINK 軟件建立了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型，并對控制器的參數(shù)進行設定，仿真結果驗證了直接轉(zhuǎn)矩控制技術的有效性和可靠性。為驗證直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速及不同負載時的性能，下面對在負載一定時改變轉(zhuǎn)速及在轉(zhuǎn)速不變時改變負載的情況進行分析。 磁鏈調(diào)節(jié)器是一個對磁鏈幅值進行兩點式調(diào)節(jié)施密特觸發(fā)器。 圖 31 直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型 根據(jù)上一節(jié)的內(nèi)容，遵循直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中各主要組成部分的原理，在SIMULINK 軟件下依次建立轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ ASR）、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器（ ATR）、轉(zhuǎn)速給定模塊（ n*）磁鏈給定模塊（ flux*）、磁鏈觀測器（ Observation）、電壓矢量選擇模塊（ Selector）、電壓 3/2 轉(zhuǎn)換（ U_3s/2s）、電流 3/2 轉(zhuǎn)換（ I_3s/2s）這幾個模塊。系統(tǒng)仿真就是 利 用 計算機提供的各種方便、靈活可靠的 模型（物理模型或數(shù)學模型）代替實際系統(tǒng)進行實驗和研究 。 ??s?r??100110010011001101S6S1S2S3s?0s?000111 S4S5 圖 26 電壓空間矢量對電動機轉(zhuǎn)矩的影響 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 14 根據(jù)上圖，可得出直接轉(zhuǎn)矩控制的方法有： （ 1） 增大轉(zhuǎn)矩：插入正向有效電壓空間矢量，當電壓幅值增大到一定程度，可使定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，從而增大磁通角，使對應的轉(zhuǎn)矩增大。但是，要實現(xiàn)兩個模型間的快速平滑切換是困難的。常用的磁鏈估計方法有：電壓 電流模型法，電流 速度法，電壓 轉(zhuǎn)速法。 并且規(guī)定，將旋轉(zhuǎn)空間矢量分解的到 參考坐標系 中，其中 在 α軸上的投影稱為 α分量，在的 β軸上的投影稱為 β分量。然而高速 DSP 價格昂貴，普通單片機運行較慢，這對數(shù)字化來說是個急需解決的問題。 提出了一種預前控制，即固定開關周期條件下，根據(jù)當前狀態(tài)下電機的磁鏈誤差 、 轉(zhuǎn)矩和反電勢，通過計算和比較選擇出可以滿足下一狀態(tài)的空間電壓矢量，從而實現(xiàn)對恒逆變開關頻率控制。m以內(nèi)。 由于高速切削 [1]和實際應用的需要，數(shù)控機床電主軸在軸承及其潤滑技術、精密加工技術、精密動平衡技術、高速刀具 [2]及其接口技術等相關技術快速發(fā)展趨勢下，高速化成為主流。目前，隨著常規(guī)磨用電主軸、雕銑機床用電主軸在國內(nèi)技術不斷成熟，產(chǎn)量來斷提高，國內(nèi)相關產(chǎn)品幾乎占據(jù)了全部的市場需求。 其中， 直接轉(zhuǎn)矩控制 是一種 發(fā)展 于 矢量控制技術之后的新型的高性能交流調(diào)速技術，其新穎 的 控制思想，簡潔明了 的 系統(tǒng)結構，更適合于高速電主軸的驅(qū)動，更能滿足高速電主軸高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍、高速瞬間準停的動態(tài)特性和靜態(tài)特性的要求， 這使其 成為交流傳動領域的一個熱點技術 。為了 能滿足機床技術、高速切削技術的發(fā)展和實際應用的需要，數(shù)控機床用電主軸的性能必須不斷提高，這對高水平企業(yè)來說是發(fā)展的動力。 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。 (5)在電主軸的支承技術上，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問 題。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狀態(tài)，從而獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。 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 種開關狀態(tài) 中逆變器可 輸出 7 種不同的電壓狀態(tài)。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。 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系。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切換信號，來正確地選擇電壓空間矢量。 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。 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? 。 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，其結構如圖 36。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)。 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。論文的工作包括： （ 1）推導并分析異步電動機的數(shù)學模型，并根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制的數(shù)學模型搭建具體控制方案，為實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制做好理論基礎。由于對轉(zhuǎn)矩變化的跟隨性比較好，轉(zhuǎn)矩的脈動頻率高，這正說明了直接轉(zhuǎn)矩控制重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 4 仿真及結果分析 24 系統(tǒng)具有優(yōu)良的動態(tài) 和靜態(tài)的性能。對電壓空間矢量的選擇主要有兩種：一種是與磁鏈運動軌跡成 600角的電壓空間矢量；另一種是成 1200角的電壓空間矢量。 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 17 建立直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型 本章將對直接轉(zhuǎn)矩控制的主要環(huán)節(jié)進行仿真。它是 借助計算機軟件， 在 控制系統(tǒng) [11]的數(shù)學模型 的 基礎 上 ，對系統(tǒng)進行仿真 研究的一種方法。因此在實際運用時，保持磁鏈幅值不變，以便充分利用鐵芯，而轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值是決定于負載，因此在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，改變磁通角的大小可以使電動機的輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，其控制方法為通過控制電壓空間矢量來對定子磁鏈的轉(zhuǎn)速進行控制，從而使定子磁鏈的平均轉(zhuǎn)速改變，進而改變了磁通角的大小，從而電機轉(zhuǎn)矩的直接控制。而在低速段，采用電流 速度模型法，因為此時電壓 電流模型法已經(jīng)不能正常工作，盡管電流 速度模型法有一定的誤差，但可以正常工作，并且可以采取措施，減小誤差。 圖 25電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的關系 異步電動機的磁鏈模型 在直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁鏈的實際值通常是根據(jù)定子電壓、電流和轉(zhuǎn)速的檢測值以及電動機參數(shù)通過估計求得。 異步電動機空間矢量等效電路 將控制系統(tǒng)中異步電動機的空間矢量電路進行等效變換后，得到等效電路，即： 圖 異步電動機 空間矢量等效電路 該等效電路是將異步電動機分解到正交定子坐標系（ αβ坐標系）下，各元素的意義如下： — 定子電壓空間矢量； 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 8 — 定子電流空間矢量； — 轉(zhuǎn)子電流空間矢量； — 定子磁鏈空間矢量； — 轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量； — 電角速度（機械角速度與極對數(shù)的積）。因此實現(xiàn)數(shù)字化的直接轉(zhuǎn)矩控制的 交流調(diào)速系統(tǒng)具有很大的經(jīng)濟價值和跨時代的意義。這是一種磁鏈的實時控制，通過考慮某一時刻磁鏈所在位置，綜合計算得到的該時刻的磁鏈幅值與給定值比 較結果來選擇電壓矢量以及持續(xù)時間，從而實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制。m，而國內(nèi)目前普遍在 100N這種轉(zhuǎn)矩最高可達60000r/min 的高速電主軸，采用矢量控制技術，在低轉(zhuǎn)速時可輸出大扭矩因此可以滿足不同的切削要求。在行業(yè)規(guī)模不斷壯大的情況下，漢川機床廠，濟寧博特精密絲杠制造有限公司、大連機床廠等數(shù)家企業(yè)也相繼進入了研發(fā)生產(chǎn)電主軸的行業(yè)。 本文介紹了高速電主軸直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理和控制系統(tǒng)的基本構成，并利用 MATLAB/SIMULINK 軟件，構建了高速電主軸直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真模型。目前國外著名的機床用電主軸制造商有：德國 GMN 和 Cytec、西門子、瑞士 IBAG和 Step— Tec、 Fishcher、 美國 Setco、意大利 Omlet和 Gamfior、日本大隈等，其中 GMN、 IBAG、 Omlet、 Setco、 Gammfier 等企業(yè)代表了世界電主軸行業(yè)的最高水平。國外數(shù)控機床主軸公司分工很細很明確，研發(fā)主要包括電主軸的總體設計、技術研發(fā)以及零部件裝配和測試工作，而像主軸軸承、驅(qū)動電機、主軸松拉刀機構、動力油缸或氣缸、主軸軸承潤滑油品等關鍵零部件統(tǒng)一從別的企業(yè)采購，這樣使自身的研究方向更細致，加快了研重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 3 發(fā)速度。 (6)在關鍵技術方面，國外電主軸驅(qū)動電機的交流伺服技術、閉環(huán)矢量控 制技術、 C 軸傳動技術、停機角向準確定位 (準停 )技術、快速啟動與停止技術、 HSK刀柄制造與應用技術、主軸智能監(jiān)控技術等是趨成熟，國內(nèi)的相關技術還不夠成熟，距離實際應用還要相應的改善。 (1)控制系統(tǒng)的的性能擺脫了電機參數(shù)的影響，但受定子電阻影響還是很大，因此需要考慮在不同頻率時的變化。這種控制系統(tǒng)結構簡單，控制方式直接，控制過程中省掉了復雜的矢量變換運算，并且將電動機數(shù)學模型的簡化處理，使信號處理的物理概念明確，因此是一種具有高動態(tài)響應的新型交流調(diào)速技術。而 這 7 種不同的電壓狀態(tài) 又有 兩 種情況 ：一 種 是 相當 于開關狀態(tài) “ 1” 至 “ 6” ，分別 被 稱為逆變器的電壓狀態(tài) “ 1” 至 “ 6” 的 6種工作電壓狀態(tài) ； 另一種 是 相當于零開關狀態(tài) “ 7” 和 “ 8” 的 零電壓狀態(tài)，對外 部電路 來說， 由于其 輸出的電壓都為零 ， 因此 把這兩種狀態(tài) 統(tǒng)稱為逆變器的零電壓狀態(tài) （見表 22） 。以下為電壓 電流模型法的原理圖。如下圖 圖 25電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的關系 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 13 根據(jù)圖 25可得出： （ 1）忽略定子電阻時，可看出定子磁鏈頂點的運動軌跡方向平行于電壓空間矢量指向的方向。 （ 5） 開關頻率調(diào)節(jié)：對逆變器的開關頻率進行控制，改變轉(zhuǎn)矩容差 （ 6） 異步電動機的數(shù)學模型：異步電動機的數(shù)學模型的分為磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型。在控制界，很多著名的專家和學者為其擅長的領域開發(fā)了工具箱，而其中很多的工具箱已成為該領域的標準。調(diào)節(jié)器輸出量為轉(zhuǎn)矩開關信號QT。 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