【正文】 ............................... 21 4 仿真及結(jié)果分析 .................................................. 22 仿真結(jié)果 ........................................................................................................... 22 改變轉(zhuǎn)速 ........................................................................................................... 24 改變負(fù)載 ........................................................................................................... 26 本章小結(jié) ........................................................................................................... 27 總 結(jié) ............................................................... 29 致 謝 ............................................................... 30 參考文獻 ............................................................. 31 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 1 1 緒論 國內(nèi)高速電主軸的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 國內(nèi)外高速電主軸的現(xiàn)狀 我國電主軸研發(fā)生產(chǎn)起源于磨加工，特別是軸承的內(nèi)表面磨加工，這是根據(jù)行業(yè)的生產(chǎn)需要而發(fā)展起來的的。利用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計算與控制交流電機的 的磁鏈 和轉(zhuǎn)矩，借助于雙位模擬調(diào)節(jié)器產(chǎn)生 PWM 信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。 其中， 直接轉(zhuǎn)矩控制 是一種 發(fā)展 于 矢量控制技術(shù)之后的新型的高性能交流調(diào)速技術(shù)，其新穎 的 控制思想，簡潔明了 的 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(zhǔn)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(lǐng)域的一個熱點技術(shù) 。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 高速電主軸直接轉(zhuǎn)矩控制仿真與分析 學(xué) 生： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 專 業(yè)：機械電子工程 重慶大學(xué)機械工程學(xué)院 二 O 一二 年六月 Graduation Design(Thesis) of Chongqing University Simulink and Analysis of High Speed Motorized Spindle Under DTC Control Undergraduate: Supervisor: Prof. Major: Mechanical and Electronic Engineering College of Mechanical Engineering Chongqing University June 20xx 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 中文摘要 Ⅰ 摘 要 隨著數(shù)控技術(shù)及切削刀具的迅速發(fā)展，越來越多的用于機械制造的裝備在不斷向高速、高精度、高效率、高自動化發(fā)展，電主軸憑借機械主軸所不能替代的優(yōu)異特點，成為最能適宜現(xiàn)代高性能數(shù)控機床的核心部件之一，并廣泛用在多軸聯(lián)動、多面體加工、并聯(lián)機床、復(fù)合加工機床等諸多先進產(chǎn)品中，其質(zhì)量、性能和技術(shù)水平在很大程度上決定了整機的質(zhì)量、性能和水平。 目前 使 用高頻交流異步電動機 來驅(qū)動 高速電主軸 是主流，其 控制方式 通常采用變頻調(diào)速方法。 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(gòu)成，并利用 MATLAB/SIMULINK 軟件，構(gòu)建了高速電主軸直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真模型。通過設(shè)定并改變相應(yīng)參數(shù)，得到仿真結(jié)果，并對結(jié)果進行分析。早在 20 世紀(jì) 50 年代末，我國的軸承行業(yè)就開始生產(chǎn)電主軸，目前國內(nèi)電主軸的生產(chǎn)主要以洛陽軸研科技公司最為著名，它生產(chǎn)的內(nèi)孔磨削用電主軸已有 50 年的歷史。一時間，生產(chǎn)電主軸的企業(yè)多達(dá) 70 多家，且大多數(shù)為民營企業(yè)，北京機床研究所在 這個時候也開發(fā)出用日本 FANUC 電機組裝的 20xx0 轉(zhuǎn) /分、 24000 轉(zhuǎn) /分電主軸。北京第一機床廠和日本大隈通過中外企業(yè)合作的方式也研發(fā)出了轉(zhuǎn)速高于 10000 轉(zhuǎn) /分的電主軸。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(shù)不斷成熟，產(chǎn)量來斷提高，國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品幾乎占據(jù)了全部的市場需求。由于大功率電主軸技術(shù)難度大，能進行生產(chǎn)的企業(yè)不多，目前尚處于樣機階段。 與國內(nèi)不同的是，國外電主軸起源于內(nèi)圓磨床，早在上世紀(jì) 末 ，隨著機械主軸發(fā)展過慢，越來越不能滿足高性能數(shù)控機床、高速切削的發(fā)展和生產(chǎn)需要，電主軸技術(shù)憑借近年來取得的重大成就和良好的技術(shù)支持使其廣泛應(yīng)用于加工中心、數(shù)控機床等高端數(shù)控機床中。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。②軸承速度高、剛度高。 ③ 加工與裝配精度高，工藝高超。這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子平衡系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補償精密控制系統(tǒng)等。如世界著名的精密機床制造商之一的瑞士米克朗公司，它生產(chǎn)的機床配備所有的電主軸均使用恒溫冷卻水套來對主軸電機和軸承進行冷卻，并 通過高壓油霧對復(fù)合陶瓷軸承進行潤滑。 由于高速切削 [1]和實際應(yīng)用的需要，數(shù)控機床電主軸在軸承及其潤滑技術(shù)、精密加工技術(shù)、精密動平衡技術(shù)、高速刀具 [2]及其接口技術(shù)等相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展趨勢下，高速化成為主流。軸承及潤滑技術(shù)的不斷發(fā)展，使電主軸的系統(tǒng)剛度越來越大，這大大提高了高速電主軸的性能，使其更好的推動數(shù)控機床向高速、高效率和高精度的方向發(fā)展。目前，世界高端的加工中心用電主軸無論是在高速段還是低速段，達(dá)到了一定的高度，意大利 CAMFIOR、瑞士 Step— Tec、德國 GMN 等制造商的研發(fā)的產(chǎn)品，在低速段輸出轉(zhuǎn)矩能輕松達(dá)到 200Nm 以上，德國 CYTEC 生產(chǎn)的數(shù)控銑床和車床用電主軸，最大扭矩更是達(dá)到了 ；在高速段大功率方面， CYTEC 電主軸的最大輸出功率為 50kW；瑞士 Step— Tec 用于制造航空器和加工模具的電主軸的最大功率更是達(dá)到 65kW(S1)；此外，還有報道稱目前還處在研發(fā)階段的電主軸功率可達(dá)到 80kW。國外數(shù)控機床主軸公司分工很細(xì)很明確，研發(fā)主要包括電主軸的總體設(shè)計、技術(shù)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(gòu)、動力油缸或氣缸、主軸軸承潤滑油品等關(guān)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(xì)致，加快了研重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 3 發(fā)速度。 然而，國內(nèi)電主軸行業(yè)由于競爭意識太強，技術(shù)資源比較分散。雖然作為原來國家軸承行業(yè)的技術(shù)領(lǐng)先的洛陽軸研科技，自身具備一定的研發(fā)實力，但缺乏過硬的產(chǎn)品和關(guān)鍵技術(shù)。正是這幾個方面制約了國內(nèi)高性能數(shù)控機床的發(fā)展。m 以上，德國的 CYTEC 更是達(dá)到 600Nm以內(nèi)。對于其它電主軸，英國 WestWind 公司 D1733的轉(zhuǎn)速 已經(jīng)達(dá)到了 250000r/min，而國內(nèi)電主軸的最高只能達(dá)到 150000r/min。 (4)在電主軸發(fā)展方向，國外在常規(guī)電主軸不斷完善的基礎(chǔ)上，開始向多功能、高性能的新型數(shù)控機床用電主軸轉(zhuǎn)移，而國內(nèi)主要以常規(guī)產(chǎn)品為主。 (6)在關(guān)鍵技術(shù)方面，國外電主軸驅(qū)動電機的交流伺服技術(shù)、閉環(huán)矢量控 制技術(shù)、 C 軸傳動技術(shù)、停機角向準(zhǔn)確定位 (準(zhǔn)停 )技術(shù)、快速啟動與停止技術(shù)、 HSK刀柄制造與應(yīng)用技術(shù)、主軸智能監(jiān)控技術(shù)等是趨成熟，國內(nèi)的相關(guān)技術(shù)還不夠成熟，距離實際應(yīng)用還要相應(yīng)的改善。 歐美公司在關(guān)鍵部件的研發(fā)上具有很強的前瞻性和創(chuàng)新能力，國際上涉及電重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 4 主 軸的比如編碼器系統(tǒng)、刀具接口、電機工作制等的國際標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品都是歐美相關(guān)企業(yè)制定和生產(chǎn)的，這是他們最具有優(yōu)勢的地方。直接轉(zhuǎn)矩控制這種新型技術(shù)一出現(xiàn)，就憑借新穎的控制思想，簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及優(yōu)良的靜態(tài)性能受到業(yè)界廣泛的關(guān)注而快速的發(fā)展。其磁鏈軌跡在六邊上分別有相應(yīng)六個非零電壓矢量與其對應(yīng)，組合起來正好可以按正六邊形 [4]的方式運動。 1986 年，日本東芝的 Takahashi 教授在六邊形方案的基礎(chǔ)上，提出了對磁鏈軌跡圓形 [5]控制方案，實現(xiàn)了讓磁鏈軌跡基本沿著近似圓形的軌跡運動。 提出了一種預(yù)前控制，即固定開關(guān)周期條件下，根據(jù)當(dāng)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(guān)頻率控制。系統(tǒng) 整體上采用諧振式逆變器構(gòu)成，摒棄了滯環(huán)并使用純 BandBand 的 控制方式，使控制系統(tǒng)更容易實現(xiàn)。 近幾年來，國外常常用具有高速運算功能的數(shù)字信號處理器（ DSP）來解決高性能交流電氣傳動數(shù)字控制中測量及控制的速度問題，以彌補單片機運算速度慢的缺點，這是隨著 DSP 技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的 。 (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。 (2)直接轉(zhuǎn)矩控制是一種無需速度直接反饋的控制技術(shù)，由于算法的不同，其基本控制系統(tǒng)只需要兩個電流傳感器，可靠性高，但是速度辨認(rèn)方法還不明確，系統(tǒng)模型也需進一步研 究改良 。 (3)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)形成 PWM 脈沖的目的是產(chǎn)生圓形氣隙磁場。直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵在于根據(jù)電機轉(zhuǎn)速和開關(guān)頻率選擇合適的開關(guān)狀態(tài)，這需要很高的要求。 (4)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)最顯著的特點在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制思路簡單，性能穩(wěn)定，便于數(shù)字化。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。在這基礎(chǔ)上，改變控制系統(tǒng)中直接影響異步電動機性能的參數(shù)，得到仿真結(jié)果，對其進行分析，驗證高速電主軸直接轉(zhuǎn)矩控制的有效性和可行性 。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理 6 2 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 引言 直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC)變頻調(diào)速系統(tǒng) [6]是近十幾年來繼矢量變頻調(diào)速技術(shù)后發(fā)展起來的一種新型高性能的控制方式。這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制方式直接，控制過程中省掉了復(fù)雜的矢量變換運算，并且將電動機數(shù)學(xué)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(yīng)的新型交流調(diào)速技術(shù)。 為了能夠根據(jù)異步電動機的數(shù)學(xué)模型建立理想的電機模型，必須對電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)進行理想化設(shè)定： （ 1）電 動機 氣隙 均勻； （ 2） 磁路線性； （ 3） 電機 有效導(dǎo)體沿氣隙空間呈正弦狀態(tài)分布，定子、轉(zhuǎn)子三相繞組對稱 （ 4） 磁場正弦分布，磁場諧波忽略不計。 ： (22) 上式中：、 依次為為各相定子、轉(zhuǎn)子自感，其他元素依次為定子、轉(zhuǎn)子或定、轉(zhuǎn)子間的互感。 交流電機的數(shù)學(xué)模型 是 一組非線性的微分方程式 ，這是 由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn) 使 定、轉(zhuǎn)子繞組 間 的互感 為 定 、 轉(zhuǎn)子相對位置的函數(shù)。即在 建立參考坐標(biāo)系內(nèi)的異步電機數(shù)學(xué)模型 ， 三相靜止繞組 A、 B、 C 變換為兩相靜止繞組， 從而將 三相靜止坐標(biāo)系 變換成兩 相靜止坐標(biāo)系 。 并且規(guī)定，將旋轉(zhuǎn)空間矢量分解的到 參考坐標(biāo)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。根據(jù)與、與、與之間接通一個就會斷開一個邏輯特點，三組開關(guān)可以組成 23=8 種可以實現(xiàn)開關(guān)方式。根據(jù)這個規(guī)則可得到 8 種開關(guān)狀態(tài)，見表 21。而 這 7 種不同的電壓狀態(tài) 又有 兩 種情況 ：一