《高速電主軸變頻控制與測試》畢業(yè)設計

1、重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文）高速電主軸變頻控制的分析與測試 學 生：XX學 號：指導教師：林利紅專 業(yè)：機械設計制造及其自動化重慶大學機械工程學院二O一O年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityAnalysis and Test of High Speed Motorized Spindle Under Frequency ControlUndergraduate: Ma BiaoSupervisor: Lin LihongMajor: Mechanical Design, Manufacturing & Automation

2、College of Mechanical EngineeringChongqing UniversityJune 2010摘 要高速加工能顯著地提高生產率、降低生產成本和提高產品加工質量，是制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢，也是一項非常有前景的先進制造技術。高速加工的核心技術主要有高速機床技術、高速刀具技術、高速加工測試技術等，其中高速機床技術是實現(xiàn)高速加工的基本條件，而高速電主軸是高速機床的核心部件，它實現(xiàn)了機床的“零傳動”，簡化了結構，提高了機床的動態(tài)響應速度，是一種新型的機械結構形式，其性能好壞在很大程度上決定了整臺機床的加工精度和生產效率。高速電主軸的關鍵技術之一是變頻控制技術。當前高速電主軸主

3、要采用的是高頻交流異步電動機，變頻控制技術的好壞對高速電主軸能否實現(xiàn)高速加工和加工質量的好壞具有重要影響。因此，對高速電主軸變頻控制技術進行分析和性能測試，并進行仿真，是對高速電主軸性能研究的重要環(huán)節(jié)。本論文深入分析了高速電主軸變頻控制的三種主要模式：V/F控制、矢量控制和直接轉矩控制。對它們各自的控制特點及對高速電主軸性能的影響進行了比較。為了驗證上述理論，對170MD15Y20型（15 000r/min）高速電主軸進行V/F控制和矢量控制的性能測試實驗，測取了該型電主軸的機械特性、電流、效率、功率因素等特性曲線，進而分析了各物理量之間的相互關系及其影響因素。最后，利用MATLAB/Simu

4、link仿真平臺對15 000r/min高速電主軸的矢量控制進行仿真，并將仿真結果與實測數(shù)據(jù)進行了對比分析。關鍵詞：高速電主軸，變頻調速，V/F控制，變頻控制測試，Simulink仿真ABSTRACTHigh speed machining(HSM)has become the mainstream of manufacturing fordrastically increasing productivity,reducing production costs and improving the productquality. The key technologies of high spee

5、d machining mainly include high speed machine tool technology, high speed cutting tool technology, high speed machining testing technology and so on, in which high speed machine tool technology is the essential factor to achieve high speed machining, while high speed motorized spindle is the core co

6、mponent of high speed machine tool. The machine tool equipped with high speed motorized spindle has characteristic of the zero-transmission and simplified of the machine structure.With use of new mechanical structure,the high speed motorized spindle has much better dynamic performance in response to

7、 the high demands in this machine.In general,overall performance of high speed machine in terms of the machining precision and productivity is largely dependent upon the performance of the equipped high speed motorized spindle.One of the key technologies of high speed motorized spindle is frequency

8、control. High frequency induction motor is used in high speed motorized spindle predominantly, the quality of frequency control for high speed motorized spindle has an important effect on the quality of high speed machining, even the realization of it. Therefore, the analysis and test of high speed

9、motorized spindle under frequency control, as well as the simulation of it, should be emphasized. In this paper, three kinds of frequency control modes, which are V/F control, vector control and direct torque control, are analyzed in detail respectively, as well as their characteristics and control

10、quality for high speed motorized spindle. In order to verify these theory, testing experiments on 170MD15Y20(15 000 rpm) high speed motorized spindle under V/F control and vector control is done respectively, the spindles mechanical characteristic curve and the curves about current, efficiency, powe

11、r factor, and so on, are obtained, analysis of them is finished, and the relationship of these physical quantities are revealed. At last, a simulation on MATLAB/Simulink for 15 000 rpm high speed motorized spindle is done, and the simulation results are analyzed compared with the measured data. Key

12、words： High speed motorized spindle,frequency control of motor speed, V/F control, Frequency control test, Simulink simulation目 錄中文摘要ABSTRACT1緒論1 1.1 引言11.2 本課題研究的目的及意義1 1.2.1 本課題研究的背景11.2.2 本課題研究的目的21.2.2 本課題研究的意義21.3 國內外高速電主軸研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢31.3.1 國內高速電主軸的研究現(xiàn)狀31.3.2 國外高速電主軸的研究現(xiàn)狀31.3.3 高速電主軸的發(fā)展趨勢3 1.4 高速電

13、主軸關鍵技術6 1.5 本課題的研究內容61.6本章小結102 變頻調速系統(tǒng)的控制及算法122.1 引言132.2 變頻器的分類、結構及工作原理172.2.1 變頻器的分類72.2.2 變頻器的結構72.2.3 變頻器的工作原理8 2.3 V/F控制8 2.3.1 V/F控制基本原理82.3.2 V/F控制的機械特性10 2.4 矢量控制132.4.1 矢量控制基本原理132.4.2 矢量控制的特點13 2.5 直接轉矩控制162.5.1 直接轉矩控制基本原理162.5.2 直接轉矩控制的優(yōu)點16 2.6 變頻調速主要技術指標162.7 本章小結333 高速電主軸變頻控制測試38 3.1 引言

14、20 3.2 高速電主軸變頻控制測試實驗20 3.3 V/F控制測試數(shù)據(jù)分析20 3.3.1 電壓-頻率特性曲線203.3.2 同步轉速為額定值15 000r/min時的機械特性曲線213.3.3 同步轉速為4 500r/min時的機械特性曲線233.3.4 電流-轉矩特性曲線23 3.3.5 效率-輸出功率特性曲線253.3.6 功率因素-輸出功率特性曲線263.3.7 轉矩-輸出功率特性曲線27 3.3.8 機械特性曲線簇28 3.4 矢量控制測試數(shù)據(jù)分析29 3.5 本章小結304 高速電主軸矢量控制仿真31 4.1 引言31 4.2 建立矢量控制仿真模型31 4.3 設置仿真參數(shù)34

15、4.3.1 高速電主軸參數(shù)344.3.2 仿真參數(shù)35 4.4 仿真結果及分析35 4.4.1 空載運行354.4.2 空載啟動后再加載364.4.3 負載啟動424.4.4 調速43 4.5 本章小結445 結論586 致謝47參考文獻48附錄A：高速電主軸V/F控制測試實驗數(shù)據(jù)50附錄B：高速電主軸矢量控制測試實驗數(shù)據(jù)561 緒論1.1 引言制造業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產業(yè)，制造技術水平和設備制造能力的高低，是一個國家科技水平和綜合國力的重要標志。隨著科學技術的進步，制造業(yè)正朝著高精度、高速度、高效率的方向飛速發(fā)展，這就對加工機床提出了更高的要求，機床的高速化成為目前機床的發(fā)展趨勢。高速數(shù)控機床

16、（CNC）是裝備制造業(yè)的技術基礎和發(fā)展方向之一，是裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略性產業(yè)。高速數(shù)控機床的工作性能，首先取決于高速主軸的性能。這就需要能夠實現(xiàn)高速運轉的主軸部件高速主軸單元。高速電主軸是高速主軸單元的一種典型結構，作為實現(xiàn)機床高速化的關鍵部件，是近年來數(shù)控機床領域出現(xiàn)的新型技術方案，對高速加工產生了深遠的影響。它將與高速刀具技術、直線電機技術一起，把高速加工推向一個新的時代。而隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，變頻調速技術變得日益普遍和完善，有力地推動了數(shù)控技術的快速發(fā)展。高速電主軸正是在變頻調速技術的支持下發(fā)展起來的，變頻控制技術的好壞是高速電主軸能否實現(xiàn)高速加工的關鍵技術之一。本章首先論述了課題研

17、究的背景、目的及意義，討論了高速電主軸的國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，然后說明了高速電主軸的關鍵技術，最后介紹了論文的主要研究內容。1.2 本課題研究的目的及意義1.2.1 本課題研究的背景從德國Carl.J.Safomon博士提出高速切削概念，并于同年申請專利以來，高速切削技術經(jīng)歷了高速切削理論探索階段、高速切削的應用探索階段、高速切削的初步應用階段、高速切削的較成熟階段這四個階段1。現(xiàn)已在生產中得到推廣應用;特別是二十世紀80年代以來，各工業(yè)發(fā)達國家相繼投入大量人力、財力，研究開發(fā)高速切削技術及相關技術?，F(xiàn)今高速數(shù)控機床（CNC）已成為裝備制造業(yè)的技術基礎和發(fā)展方向之一，是裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略性產

18、業(yè)。高速數(shù)控機床的工作性能，首先取決于高速主軸的性能。動態(tài)特性是衡量主軸性能的主要指標。美國的LawrenceLivermore國家重點實驗室基于Timoshenko梁理論用影響系數(shù)法建立含軸承參數(shù)的電主軸系統(tǒng)動力學模型，著重研究了切削力、刀具質量和自轉速度對轉子固有頻率的影響以及數(shù)控機床高速電主軸單元影響8。高速電主軸是高速機床的核心部件，驅動方式是采用內藏主軸電機驅動，也被稱為內裝式電主軸，其間不再使用皮帶或齒輪傳動副，從而實現(xiàn)機床主軸系統(tǒng)的“零傳動”2。具有結構緊湊、重量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點，并改善了機床的動平衡，避免振動和噪聲，在超高速機床中得到了廣泛的應用。高速電主軸可實現(xiàn)數(shù)

19、控機床高速加工，與常規(guī)切削相比較，高速切削具有下列優(yōu)點： 隨切削速度的提高，進給速度也可相應提高，以便基本保證每齒切削厚度不變，單位時間內的材料切除率可大大增加，極大地提高了生產率。 在切削速度增加到一定值后，切削力可降低30以上，尤其是徑向切削力的大幅度減少，特別有利于對薄壁件等剛性差的零件的加工。 在高速切削狀態(tài)下，95以上的切削熱還來不及傳遞給工件和刀具，就被切屑帶走，工件可基本保持冷態(tài)，因而特別適合于加工容易熱變形的零件。 高速切削時，機床的激振頻率特別高，它遠遠離開“機床工件刀具”工藝系統(tǒng)的基本階固有振動頻率范圍，使機床工作平穩(wěn)振動小，因而能夠加工出非常精密且光滑的零件，采用高速切削

20、可以得到很高的零件加工表面質量，高速銑削和高速車削常?？梢赃_到磨削的水平。 高速切削可以加工常規(guī)切削無法加工的高硬度零件，可取代磨床加工，實現(xiàn)硬切削，可以在無冷卻的情況下進行干切削3。近年來，隨著制造技術的迅猛發(fā)展，變頻電主軸(InverterElectric Spindle，IES)被廣泛地應用于數(shù)控機床，代替舊式的機械變速箱式主軸。變頻調速以其優(yōu)異的調速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內外公認為最有發(fā)展前途的調速方式。因此，變頻調速器得到快速發(fā)展。變頻調速器也稱變頻器，全稱為變頻變壓調速器VVVFI(variable voltage & var

21、iable frequency inverter)。它采用大功率晶體管GTR作為功率元件，以單片機為核心進行控制，采用SPWM正弦脈寬調制方式，是電力電子與計算機控制相結合的機電一體化產品。SPWM控制方法，使電機的旋轉磁場為理想的圓形磁場，轉矩脈動小，電機運轉平穩(wěn)，特別是克服了電壓型逆變器控制中電機低速運行時轉矩脈動大的缺點。變頻調速器優(yōu)點很多，比如操作簡便、精確可調、數(shù)字顯示、在線無級調速等，但其主要的優(yōu)點在于節(jié)能。交流調速控制系統(tǒng)經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程，從最初的開環(huán)V/F控制到后來閉環(huán)轉差頻率控制、矢量控制和直接轉矩控制算法，可控變量越來越多，控制方法也越來越復雜，控制性能也越來越高5

22、。隨著交流變頻調速技術的不斷發(fā)展及變頻調速器性價比的不斷提升，交流變頻不但在工藝型調速傳動中取代了原直流調速技術的地位，同時還在不斷開拓新的應用領域。我國工業(yè)技術雖然有了較大的發(fā)展，但目前仍是處于一個工業(yè)化中期社會，技術發(fā)展還不平衡，在很多企業(yè)生產中，表現(xiàn)出來最明顯的特征依舊是能源消耗多，生產效率較低，產品質量參差不齊，能效比不高，陳、舊、老設備在國民生產中仍舊占較大的比重。變頻調速的應用，就是要改造這些設備，以達到節(jié)約能源的目的。有國家、省、市政府的大力支持，有成熟的技術基礎理論，縱觀節(jié)能改造市場，潛力巨大，在各種調速節(jié)能中，利用變頻調速，是異步電動機調速效果最好、最成熟、最有發(fā)展前途的節(jié)能

23、技術。1.2.2 本課題研究的目的電主軸是高精度、高轉速內裝電動機主軸單元，是實現(xiàn)高速加工的關鍵機床部件，且因電動機控制技術日益成熟和電主軸的批量生產，成本的降低，電主軸有廣泛取代普通機械主軸發(fā)展趨勢。普通主軸一般是由驅動電動機通過皮帶齒輪等中間環(huán)節(jié)驅動主軸帶動主軸旋轉，通過換擋進行調速。有級調速，體積大，精度低，能耗大，調速范圍小，由于傳動鏈的限制，很難實現(xiàn)高轉速或高速下的高精度。而精密電主軸通過把電動機與主軸設計成一體，使電動機直接驅動精密主軸，消除了影響主軸精度的中間環(huán)節(jié)，電動機由專用變頻電源無級調速或由伺服系統(tǒng)直接控制，調速范圍廣，能耗低，控制操作簡單，解決了普通主軸無法完成的功能。電

24、主軸已成為高速加工機床的關鍵部件。而變頻控制系統(tǒng)直接影響高速電主軸性能的高低，變頻調速技術亦已深入我們生活的每個角落，變頻調速系統(tǒng)的控制方式包括V/F、矢量控制(VC)、直接轉矩控制(DTC)等。因此，通過對高速電主軸變頻調速技術的研究與分析，理解高速電主軸及變頻器主要參數(shù)對性能的影響，并得出合理的改善建議。1.2.3 本課題研究的意義變頻調速技術的出現(xiàn)，使得交流無級調速系統(tǒng)結構簡單，維護方便，逐漸取代直流和其它調速系統(tǒng)，變頻器高達20%-60%的節(jié)電效果，極大地降低生產成本，在現(xiàn)在能源緊張的電荒時期，更有助于提高企業(yè)產品的競爭力。電主軸變頻調速技術被廣泛應用于印刷、機床、塑料、制藥、造紙、紡

25、織、印染、食品、橡膠、油田、礦山、風機水泵等領域4。中國變頻器市場具有廣闊的發(fā)展空間，1999年達到了28億元，目前則達到100億元左右。隨著市場的擴大和用戶端需求的多樣化，國內高速增長的時期，在有色金屬、冶金、機械等行業(yè)得到廣泛應用。據(jù)統(tǒng)計，在過去的幾年內中國變頻器的市場保持著12%15%的增長率，這個速度己經(jīng)遠遠超過了近幾年GDP的增長水平，預計至少在未來5年內將會保持10%以上的增長率。目前，中國市場上變頻器安裝容量（功率）的增長率實際上在20%左右，按照這樣的發(fā)展速度和中國市場的需求來計算，至少在10年以后變頻器市場才能飽和并逐漸成熟。由于市場極具吸引力，不但市場已形成一定規(guī)模，而且潛

26、在容量也十分可觀，不斷吸引著行業(yè)新參與者。所以，變頻調速技術的研究分析有著重要的經(jīng)濟意義。變頻器產品的功能在不斷完善和增加，集成度和系統(tǒng)化越來越高，并且已經(jīng)出現(xiàn)某些專用變頻器產品。另外，變頻器的應用領域也在不斷擴大。目前，我國變頻器市場正處于一個1.3 國內外高速電主軸研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.3.1 國內高速電主軸研究現(xiàn)狀在大功率交、無換向器電機等變頻技術方面，國內只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國外還有相當差距。而這方面產品在諸如抽水蓄能電站機組起動及運行、大容量風機、壓縮機和軋機傳動、礦井卷場方面有很大需求。在中小功率變頻技術方面，國內幾乎所有的產品都是普通的V/F控

27、制，僅有少量的樣機采用矢量控制，品種與質量還不能滿足市場需要，每年大量進口。國內交流變頻調速技術產業(yè)狀況表現(xiàn)如下： 變頻器的整機技術落后，國內雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術和生產規(guī)模。 變頻器產品所用半導體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。 相關配套產業(yè)及行業(yè)落后。 產銷量少，可靠性及工藝水平不高。1.3.2 國外高速電主軸研究現(xiàn)狀對于雙PWM變頻調速系統(tǒng)的研究同樣開始于20世紀80年代，Kohlmeier等在19年研制出基于GTO的高性能雙PWM變頻系統(tǒng)，開關頻率為1.5KHz以下。Blaabj等在1993年研制出基于IGBT的雙PWM變頻系統(tǒng)，開關頻率4

28、.8KHz。目前來說，外已有類似產品上市5，例如富士公司生產的RHC系列雙PWM交流傳動系統(tǒng)，輸入側功率因數(shù)近似為1，可以高效率地進行能量再生，ABB公司生產的四象限運行的交流調速系統(tǒng)，如ACS611/ACS617（容量1.5kW-1.12MW）。在大功率交交變頻(循環(huán)變流器)調速技術方面，法國阿爾斯通已能提供單機容量達30000kW的電氣傳動設備用于船舶推進系統(tǒng)。在大功率無換向器電機變頻調速技術方面，意大利ABB公司提供了單機容量為60000kW的設備用于抽水蓄能電站。在中功率變頻調速技術方面，德國西門子公司Simovert A電流型晶閘管變頻調速設備單機容量為10耀2600kVA和Simo

29、vert P GTO PWM變頻調速設備單機容量為100耀900kVA，其控制系統(tǒng)已實現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機車、風機、水泵傳動。在小功率變頻調速技術方面，日本富士BJT變頻器最大單機容量可達700kVA，IGBT變頻器已形成系列產品，其控制系統(tǒng)也已實現(xiàn)全數(shù)字化。IPM投入應用比IGBT約晚2年，由于IPM包含了IGBT芯片及外圍的驅動和保護電路，有的甚至還把光耦也集成于一體，是一種更為適用的集成型功率器件。目前，在模塊額定電流10耀600A范圍內，通用變頻器均有采用IPM的趨向。IPM 除了在工業(yè)變頻器中被大量采用之外，經(jīng)濟型的IPM在近年內也開始在一些民用品，如家用空調變頻器、冰箱變頻器、洗

30、衣機變頻器中得到應用。IPM也在向更高的水平發(fā)展，日本三菱電機最近開發(fā)的專用智能模塊ASIPM將不需要外接光耦，通過內部自舉電路可單電源供電，并采用了低電感的封裝技術，在實現(xiàn)系統(tǒng)小型化，專用化，高性能，低成本方面又推進了一步。日本長岡科技大學的ANabae等人于1980年在IAS年會上首次提出三電平逆變器，又稱中點箝位式（Neutral Point Clamped）逆變器。它的出現(xiàn)為高壓大容量電壓型逆變器的研制開辟了一條新思路9。而TI公司的MCS320F240等DSP芯片，以其較高的性能價格比成為了全數(shù)字化交流調速系統(tǒng)的首選，最近TI公司推出的MCS320F240X系列產品更將價格降低到了單

31、片機的水平6。1.3.2高速電主軸發(fā)展優(yōu)勢 簡化結構，促進機床結構模塊化。電主軸可以根據(jù)用途、結構、性能參數(shù)等特征形成標準化、系列化產品，供主機選用，從而促進機床結構模塊化。 降低機床成本，縮短機床研制周期。一方面，標準化、系列化的電主軸產品易于形成專業(yè)化、規(guī)?；a，實現(xiàn)功能部件的低成本制造；另一方面，采用電主軸后，機床結構的簡單化和模塊化，也有利于降低機床成本。此外，還可以縮短機床研制周期，適應目前快速多變的市場趨勢。 改善機床性能，提高可靠性。采用電主軸結構的數(shù)控機床，由于結構簡化，傳動、連接環(huán)節(jié)減少，因此提高了機床的可靠性；技術成熟、功能完善、性能優(yōu)良、質量可靠的電主軸功能部件使機床的

32、性能更加完善，可靠性得以進一步提高。 實現(xiàn)某些高檔數(shù)控機床的特殊要求。有些高檔數(shù)控機床，如并聯(lián)運動機床、五面體加工中心、小孔和超小孔加工機床等，必須采用電主軸，方能滿足完善的功能要求。1.4 高速電主軸技術1.4.1高速電主軸的工作原理高速電主軸主要由殼體、無外殼鼠籠式電動機（定子繞組、定子鐵芯、轉子）和轉子軸組成，用于產生旋轉磁場。定子由具有高導磁率的優(yōu)質矽鋼片迭壓而成，內腔帶有沖制嵌線槽；轉子即主軸的旋轉部分，它的功能是將定子的電磁場能量轉換成機械能，由轉子鐵芯、鼠籠、轉軸三部分組成，鼠籠兩端焊有銅質短路環(huán)，使鼠籠形成閉合回路。高速電主軸電機的三相繞組相位互差120，裝于定子鐵芯的槽內。通

33、入三相交流電，三相繞組各自形成一個正弦交變磁場，三個對稱的交變磁場相互迭加,合成一個強度不變、磁極方向一定的恒速旋轉的磁場，磁場的轉速就是電主軸的同步轉速。異步電動機的同步轉速n由輸入電機定子繞組電流的頻率f和電機定子的極對數(shù)p決定。高速電主軸就是利用變換輸入電動機定子繞組的電流的頻率和勵磁電壓來獲得各種轉速的。在加速和制動過程中，通過改變頻率進行加減速，以免電機溫升過高。電主軸電機的定子和轉子之間的空隙是形成功率輸出有效部分的主要部位。電主軸持續(xù)工作功率主要取決于電機的機械效率和冷卻效果，機械效率的高低則主要取決于軸承高速化參數(shù)值。由于電機旋轉磁場的方向取決于輸入定子三相交流電的相序，故改變

34、電主軸輸入電流的相序，便可改變電主軸的旋轉方向。1.4.1高速電主軸的關鍵技術高速電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、主軸驅動系統(tǒng)、高頻變頻裝置、油氣潤滑裝置、冷卻裝置、供氣裝置、動平衡裝置、內置編碼器、換刀裝置等，完整的電主軸系統(tǒng)如圖2.1所示。圖1.1完整的電主軸系統(tǒng)高速電主軸極高的工作轉速，對其設計、制造和控制提出了嚴格的要求,并帶來了一系列的技術難題，如主軸的支承、潤滑、散熱及動平衡等。高速電主軸所涉及的關鍵技術從機械系統(tǒng)方面講，包括電主軸支承技術、潤滑技術、冷卻技術、動平衡技術、刀具接口與精密加工精密裝配技術等；從控制系統(tǒng)的角度講，包括高速電機驅動控制技術和輔助控制技

35、術。圖2.2為電主軸的內部結構圖。圖1.2高速電主軸系統(tǒng)主軸單元結構簡圖1.5 本課題的研究內容 了解高速電主軸的結構特點、工作原理及關鍵技術。 掌握變頻器的基本結構，掌握變頻調速系統(tǒng)的基礎知識、運行原理以及V/F控制、矢量控制、直接轉矩控制的基本算法。 對高速電主軸進行變頻控制試驗，分別測試高速電主軸在V/F控制、矢量變頻控制下的主軸性能，得出其機械特性曲線和電流、效率、功率因素曲線。 對所測得的機械特性曲線和電流、效率、功率因素曲線數(shù)據(jù)進行分析，分析高速電主軸分別在V/F控制和矢量控制下的轉矩脈動、電流、效率與功率因素變化的相互關系，以及其影響因素。1.6 本章小結本章詳細論述了對高速電主

36、軸進行研究的背景、課題的目的及選題的意義，分析了高速電主軸的國內外研究現(xiàn)狀、發(fā)展優(yōu)勢，介紹了高速電主軸的工作原理和關鍵技術，最后給出了論文的主要研究內容。2 變頻控制模式及算法2.1 引言變頻器主要用于交流電動機（異步電機或同步電機）轉速的調節(jié)，是公認的交流電動機最理想、最有前途的調速方案，高速電主軸內置的電動機通常為高頻交流異步電動機，要實現(xiàn)對高速電主軸的變頻控制，必須能夠對加到高速電主軸內置異步電動機上的三相電壓、電流幅值和頻率進行有效的控制，變頻器就是完成這一功能的器件。自上世紀80年代被引進中國以來，變頻器作為節(jié)能應用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應用。

37、本章首先論述變頻器的分類、結構及工作原理，然后對變頻器的三種控制模式：V/F控制、矢量控制和直接轉矩控制進行詳細探討。2.2 變頻器的分類、結構及工作原理2.2.1 變頻器的分類根據(jù)變流環(huán)節(jié)不同的分類： 交-直-交變頻器。先將頻率固定的交流電“整流”成直流電，再把直流電“逆變”成頻率任意可調的三相交流電。 交-交變頻器。把頻率固定的交流電直接轉換成頻率任意可調的交流電（轉換前后的相數(shù)相同）。根據(jù)直流電路的儲能環(huán)節(jié)（濾波方式）分類： 電壓型變頻器。其儲能元件為電容器。中、小容量變頻器以電壓型變頻器為主。電流型變頻器。其儲能元件為電感線圈。根據(jù)電壓的調制方式分類： 正弦脈寬調制（SPWM）變頻器。

38、電壓的大小是通過調節(jié)脈沖寬度與脈沖占空比來實現(xiàn)的。中、小容量的通用變頻器幾乎全都采用此類變頻器。 脈幅調制（PAM）變頻器。電壓的大小是通過調節(jié)直流電壓幅值來實現(xiàn)的。根據(jù)輸入電源的相數(shù)分類： 三進三出變頻器。變頻器的輸入側和輸出側都是三相交流電。絕大多數(shù)變頻器屬于此類。 單進三出變頻器。變頻器的輸入側為單相交流電，輸出側是三相交流電。家用電器里的變頻器均屬此類，通常容量較小。2.2.2 變頻器的結構變頻器從電網(wǎng)直接得到的是線電壓為380V、頻率為50Hz的標準電源，經(jīng)過整流橋整流后，得到穩(wěn)定直流電源，再經(jīng)過逆變器逆變成三相交流電加到高速電主軸上驅動高速電主軸工作。如圖2.1所示，其中控制電路完

39、成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的CPU以及一些相應的電路。圖2.1 通用變頻器結構原理示意圖 整流器它與單相或三相交流電源相連接，產生脈動的直流電壓。 中間電路，有以下三種作用：1）使脈動的直流電壓變得穩(wěn)定或平滑，供逆變器使用。2）通過開關電源為各個控制線路供電。3）可以配置濾波或制動裝置以提高變頻器性能。 逆變器將固定的直流電壓變換成可變電壓和頻率的交流電壓。 控制電路它將信號傳送給整流器、中間電路和逆變器，同時它也接收來自這

40、些部分的信號。其主要組成部分是：輸出驅動電路、操作控制電路。主要功能是：1）利用信號來開關逆變器的半導體器件。2）提供操作變頻器的各種控制信號。3）監(jiān)視變頻器的工作狀態(tài)，提供保護功能。通用變頻器采用集成橋式二極管整流器、包括逆變器和制動開關的七單元IPM（智能功率模塊，由絕緣柵雙極晶體管IGBT及其驅動保護電路構成）、濾波及限流部分、直流電抗器等構成變頻器主電路，并配備相應的控制電路構成了一臺通用變頻器5。2.2.3 變頻器的工作原理按照電機學的基本原理，交流異步電動機的轉速滿足如下的關系式： (2.1)式中，n電動機的實際轉速； 電動機的同步轉速； np電動機的極對數(shù)； fs電動機的運行頻率

41、； s電動機的滑差。從式中看出，電動機的同步轉速正比于電動機的運行頻率（）。由于滑差s一般情況下比較?。?0.05），電動機的實際轉速n約等于電動機的同步轉速，所以調節(jié)了電動機的供電頻率fs，就能改變電動機的實際轉速。這就是變頻器的工作原理。電動機的滑差s和負載有關，負載越大則滑差越大。在電源頻率不變的情況下，電動機的實際轉速還會隨負載的增加而略有下降。從電路結構上分析，變頻器電路構成包括主電路和控制電路兩部分。 主電路部分主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變

42、換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構成：將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 控制電路部分控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，它是由頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。2.3 V/F控制 V/F控制是為了得到理想的轉矩速度特性，基于在改變電源頻率進行調速的同時又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的。V/F控制變頻器的結構非

43、常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達到較高的控制性能，而且在低頻時必須進行轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。2.3.1 V/F控制原理V/F控制是變頻控制最基本的控制模式，其控制原理基于變頻器的工作原理。由式（2.1）變換得到異步電動機轉速公式為： （2.2）式中，fs電動機定子電壓頻率；np電動機極對數(shù)；s定子電壓角頻率，s=2fs；s轉差率，其中為同步轉速。由式（2.2）可知，如果均勻的改變異步電動機的定子電壓頻率fs，就可以平滑的調節(jié)電動機的轉速n。實際應用中，不僅要求調節(jié)轉速，同時還要求調速系統(tǒng)具有優(yōu)良的機械特性。為了達到良好的控制效果，常采

44、用電壓頻率協(xié)調控制，分基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。 基頻以下調速由電機學可知，氣隙磁通在定子每相繞組中感應電動勢有效值Es為 （2.3）式中，Ns定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；Ks基波繞組系數(shù)；m為電機氣隙中每極合成磁通。為了充分利用電動機鐵芯，發(fā)揮電動機產生轉矩的能力，在基頻以下采用恒磁通控制方式，降頻調速時要保證m=C（通常m=mN）。當頻率fs從額定值f1N（基頻）降頻調速時，必須同時降低Es，即使 （2.4）即采用電動勢與頻率的比為恒值的控制方式。采用這種控制方式，則fs由基頻降至低頻的變速過程中都能保持m=C，可以獲得Temax=C的控制效果（見式（3.7），因此這是一種較為理想

45、的控制方式。然而由于感應電動勢Es難以檢測和控制，實際可以檢測和控制的是定子電壓，因此，基頻以下調速時，往往采用變壓變頻控制方式。穩(wěn)態(tài)情況下，異步電動機定子每相電壓與每相感應電動勢的關系為 （2.5）式中，定子每相感應電動勢有效值，；定子相電流；勵磁電流；Rs定子每相繞組電阻；Lm定、轉子之間的互感；Ls定子繞組每相漏感。當定子頻率fs較高時，感應電動勢的有效值Es也較大，這時可以忽略定子繞組的阻抗壓降，認為定子相電壓有效值UsEs，為此在實際工程中是以Us代替Es而獲得電壓與頻率之比為常數(shù)的恒壓頻比控制方程式，即V/F控制。 (2.6)式中，cs為與電動機有關的常數(shù)。其控制特性如圖2.2()

46、所示。圖2.2 異步電動機V/F控制特性由于V/F控制方式成立的前提條件是忽略了定子阻抗上的壓降。由式（2.5）可知，低頻時，Us和Es都很小，定子電阻和漏抗壓降所占的比例相對較大，此時可適當加大定子電壓Us，以補償定子繞組壓降。這也被稱作低頻補償或轉矩提升。補償后V/F控制特性如圖2.2（）所示。 基頻以上調速在基頻以上調速時，頻率從f1N向上升高，但定子電壓Us卻由于絕緣耐壓限制不能超過額定電壓UsN，只能保持Us=UsN不變，這將使磁通與頻率成反比地下降，異步電動機工作在弱磁狀態(tài)。把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性放在一起描述，如圖2.2所示。如果電動機在不同轉速時所帶的負載都能使電

47、流達到額定值，即都能在允許的溫升下長期運行，則轉矩基本上隨磁通變化而變化。在基頻以下，磁通恒定，轉矩也恒定，屬“恒轉矩調速”性質。而在基頻以上，轉速升高時磁通與頻率成反比減小，轉矩也隨著降低，屬“恒功率調速”性質。2.3.2 V/F控制的機械特性由電機學可知，基頻以下采用恒壓頻比控制，三相異步電動機的電磁轉矩的機械特性方程式為 （2.7）式中，Rr折算到定子側的轉子每相電阻；Lr折算到定子側的轉子每相漏電感。將式（2.6）對s求導，并令dTe/ds = 0；可求出最大電磁轉矩Temax和對應的轉差率sm （2.8） （2.9）令s=1（n=0），可求得初始啟動轉矩Test （2.10）三相異步

48、電動機的同步轉速ns為 （2.11）根據(jù)式（2.6）（2.11）可以繪出正弦波恒壓恒頻供電時的三相異步電動機的機械特性曲線，如圖2.3所示。圖2.3 直接供電時異步電動機的機械特性把式（2.7）（2.11）改寫為 （2.12） （2.13） （2.14） （2.15）式（2.11）（2.15）表明變壓變頻情況下的機械特性曲線形狀與正弦波恒壓恒頻供電時的機械特性曲線相似。其基本特點如下：同步轉速ns=60s/2np隨著頻率（s或fs）的變化而改變。對于同一轉矩Te而言，帶載時的轉速降落n隨著頻率的變化而基本不變。證明如下：當0ssm時，由于s很小，可忽略式（2.12）分母中含有s的各項，并可以推

49、導出 （2.16）由于Us/s=C，因而對于同一轉矩Te，則有ssC1（常數(shù)）。又因為 （2.17）所以，對于同一轉矩Te(Te=TL)而言，n隨著頻率的改變而基本上不變。這就清楚的說明了，在V/F控制條件下，當頻率由基頻向下降低時，其機械特性曲線基本上是平行下移的，如圖2.4所示。由式（2.13）可以看出，當Us/fs=C時，Temax是隨著s降低而減小的，如圖2.4中實線所示。這將限制調速系統(tǒng)的帶負載能力。 由式（2.15）可以看出，當Us/fs=C時，初始啟動轉矩（s=1,n=0）在頻率很低時也變小。如圖2.4中s2所示的特性曲線。圖2.4 V/F控制基頻以下機械特性對于和兩種情況，可采

50、用定子阻抗壓降補償措施，即適當提高電壓Us以改善低頻時的機械特性，如圖2.4中虛線所示，其U/f補償曲線圖如圖2.5所示。圖2.5 U/f補償曲線電路設計為了保證Us/fs為恒值有三種方案： 直流側用可控整流，使Us隨fs變化，即PAM。 不控整流在中間直流環(huán)節(jié)用斬波器調壓。 不控整流用PAM調壓調頻。三種方案分別如圖2.6所示。圖2.6 U/f為恒值的方案 2.4 矢量控制2.4.1矢量控制基本原理高速電主軸內置的高頻異步電動機是一個多變量、高階、非線性、強耦合的復雜系統(tǒng)6，直接對其控制相當困難，經(jīng)過矢量變換可簡化數(shù)學模型。20世紀70年代西門子公司的工程師F.Blaschke首先提出異步電

51、動機矢量控制理論來解決交流電動機轉矩控制問題。矢量控制（又稱VC控制）是一種閉環(huán)控制方法，實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度和磁場兩個分量進行獨立控制。矢量控制變頻調速的做法是：將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流ia、ib、ic通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流ia1、ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流im1、it1(im1相當于直流電動機的勵磁電流，it1相當于直流電動機的電樞電流)，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應的坐標反變換實現(xiàn)對異步電動機的控制。矢量控制方法的出現(xiàn)，使異步電動機變頻調速在

52、電動機的調速領域里全方位的處于優(yōu)勢地位。但是，矢量控制技術需要對電動機參數(shù)進行正確估算，如何提高參數(shù)的準確性是一直研究的話題。如圖2.7，A、B、C為高速電主軸內置電動機的三相定子繞組，通有相位互差120的三相交流電。為二相靜止正交坐標，dq為同步旋轉正交坐標。A、B、C三相繞組任一時刻各有一電流矢量（按產生的磁場方向定義其方向），它們的合電流矢量為is，根據(jù)電機旋轉磁場理論，is以同步轉速s旋轉。任一時刻，電流矢量is總能夠用、軸上的兩個分量表示，即把三相靜止坐標系上各量等效變換到二相靜止坐標系中，其合電流矢量仍為is，此即3/2變換，如圖2.7（a）圖所示。按照等效轉換的原則，再把把二相靜

53、止坐標系上各量等效變換到dq同步旋轉坐標系中，使其和電流矢量仍為is，此即VR變換，如圖2.7（b）所示。這樣，就實現(xiàn)了電動機各物理量從三相靜止坐標系到二相同步旋轉坐標系的變換。圖2.7矢量變換的坐標關系示意圖按照等效變換原則，可推出三相靜止坐標系到二相靜止坐標系的變換關系6 （2.18）式中，i0為零序電流，無物理意義，其作用是為了保證變換可逆進行；C3/2為3/2變換矩陣，且 （2.19）二相靜止坐標系到二相同步旋轉坐標系的變換 （2.20）式中，為同步旋轉坐標系和二相靜止坐標系的夾角；CVR為變換矩陣，且 （2.21）矢量控制的數(shù)學模型就是建立在dq同步旋轉坐標系上的。按照轉子磁場定向，可得到異步電動機化簡后的數(shù)學模型6 （2.22）式中，Rs、Rr分別為定子繞組和轉子繞組的電阻；Lmc二相坐標系中同軸等效定子與轉子間的互感；Lsc二相坐標系中等效二相定子繞組的自感；Lrc二相坐標系中等效二相轉子繞組的自感；p微分算子；s同步角頻率；轉差角頻率。 轉矩方程 （2.23）式中，CIM轉矩系數(shù)，；r轉子磁鏈。磁鏈方程 （2.24）式中，Tr=Lrc/Rr為轉子的時間常數(shù)。 轉差頻率方程 （2.25）式（