1、重庆大学本科学生毕业设计（论文）高速电主轴直接转矩控制仿真与分析学 生：学 号：指导教师： 专 业：机械电子工程重庆大学机械工程学院二 O 一二年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversitySimulink and Analysis of High Speed Motorized Spindle Under DTC ControlUndergraduate: Supervisor: Prof. Major: Mechanical and Electronic EngineeringCollege of Mechanical Engine
2、eringChongqing UniversityJune 2012重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要摘 要随着数控技术及切削刀具的迅速发展，越来越多的用于机械制造的装备在不断向高速、高精度、高效率、高自动化发展，电主轴凭借机械主轴所不能替代的优异特点，成为最能适宜现代高性能数控机床的核心部件之一，并广泛用在多轴联动、多面体加工、并联机床、复合加工机床等诸多先进产品中，其质量、性能和技术水平在很大程度上决定了整机的质量、性能和水平。目前使用高频交流异步电动机来驱动高速电主轴是主流，其控制方式通常采用变频调速方法。其中，直接转矩控制是一种发展于矢量控制技术之后的新型的高性能交流调速技术，
3、其新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，更适合于高速电主轴的驱动，更能满足高速电主轴高转速、宽调速范围、高速瞬间准停的动态特性和静态特性的要求，这使其成为交流传动领域的一个热点技术。本文介绍了高速电主轴直接转矩控制的基本原理和控制系统的基本构成，并利用 MATLAB/SIMULINK 软件，构建了高速电主轴直接转矩控制的仿真模型。利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电机的的磁链和转矩，借助于双位模拟调节器产生 PWM 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。通过设定并改变相应参数，得到仿真结果，并对结果进行分析。关键词：高速电主轴，异步电动机，直接转
4、矩控制，磁链，MATLAB/SUMILINK 仿真重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTAs the rapid development of CNC technology and cutting tools, the equipment manufacturing industry in the world develop towards the directions of high speed, high precision and high efficiency rapidly. The high speed motorized spindle has bec
5、ome one of core components which are the most suitable for high-performance CNC machine tools, especially in multi-axis polyhedron processing, parallel machine, compound machine tools and other advanced products. It could not be substituted by the mechanical motorized spindle unit because of its out
6、standing features. The quality, performance and level of the electric spindle may largely descide the quality, performance and level of the machine.High frequency induction motor is used in high speed motorized spindle predominantly, and the control method is frequency control. Direct Torque Control
7、 a new type of high-performance AC Variable Speed Technology which is developed following vector control technology. Because of the novel control idea and the sample system structure, the high speed motorized spindle is more suitable for high-speed electric spindle driver. It meets the high-speed, w
8、ide speed range, high-speed instant quasi-stop dynamic characteristics and the requirements of the static characteristics and become a hot technology in the field of AC drive. In this paper, the basic principle and structure of DTC have been introduced. And use Matlab/Simulink build to build the DTC
9、 simulation system mode. Calculating and control the AC motor flux and torque in the stator coordinate system Direct by using space vector analysis method.The PWM signal produce by the double-bit analog regulator let he inverter switching state in optimal controlling lead to torques high dynamic per
10、formance. By setting the corresponding parameters, simulation results and the results were analyzed.Keywords: High Speed Motorized Spindle , Asynchronous Motor ，Direct Torque Control， Flux link，Matlab/Simulink Simulation重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录目 录摘 要 .ABSTRACT.1 绪论 .11.1 国内高速电主轴的现状和发展趋势 .11.1.1 国内外高速电主轴的
11、现状 .11.1.2 国内外高速电主轴的差距 .21.2 直接转矩控制技术的发展和现状 .41.2.1 直接转矩控制技术的现状及发展趋势 .41.2.2 直接转矩控制技术的发展趋势 .41.3 论文主要内容 .51.4 本章小结 .52 直接转矩控制的基本原理 .62.1 引言 .62.2 异步电动机的数学模型 .62.2.1 异步电动机理想数学模型 .62.2.2 异步电动机空间矢量等效电路 .82.3 逆变器的开头状态及电压空间矢量 .92.3.1 逆变器的开关状态 .92.3.2 电压空间矢量 .102.4 异步电动机的磁链模型 .112.5 空间电压矢量对定子磁链及转矩的作用 .132
12、.5.1 空间电压矢量对定子磁链的作用 .132.5.2 空间电压矢量对电磁转矩的作用 .142.6 直接转矩控制系统的基本结构 .152.7 本章小节 .163 直接转矩控制系统 MATLAB/SIMULINK 仿真 .173.1 引言 .173.2MATLAB 软件介绍 .173.2.1MATLAB 简介 .173.2.2 动态仿真工具 Simulink.173.3 建立直接转矩控制仿真模型 .18重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录3.4 仿真的主要对数设置 .223.5 本章小结 .224 仿真及结果分析 .234.1 仿真结果 .234.2 改变转速 .254.3 改变负载 .27
13、4.4 本章小结 .28总 结 .30致 谢 .31参考文献 .32重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论11 绪论1.1 国内高速电主轴的现状和发展趋势1.1.1 国内外高速电主轴的现状我国电主轴研发生产起源于磨加工，特别是轴承的内表面磨加工，这是根据行业的生产需要而发展起来的的。早在 20 世纪 50 年代末，我国的轴承行业就开始生产电主轴，目前国内电主轴的生产主要以洛阳轴研科技公司最为著名，它生产的内孔磨削用电主轴已有 50 年的历史。近年来，除了洛阳轴研科技股份有限公司（洛阳轴研所改制而成） 、安阳莱必泰机械有限公司、无锡开源机床集团有限公司这三家传统的生产电主轴的企业以外，又涌现
14、出一大批新兴企业，将电主轴行业推向新高度。一时间，生产电主轴的企业多达 70 多家，且大多数为民营企业，北京机床研究所在这个时候也开发出用日本 FANUC 电机组装的 20000 转/分、24000 转/ 分电主轴。与此同时，借助于德国 REXROTH 的电机，不少单位纷纷组装出了转速高于 10000 转/分的电主轴。北京第一机床厂和日本大隈通过中外企业合作的方式也研发出了转速高于 10000 转/分的电主轴。在行业规模不断壮大的情况下，汉川机床厂，济宁博特精密丝杠制造有限公司、大连机床厂等数家企业也相继进入了研发生产电主轴的行业。目前，随着常规磨用电主轴、雕铣机床用电主轴在国内技术不断成熟，
15、产量来断提高，国内相关产品几乎占据了全部的市场需求。由于一般的电主轴技术门槛相对较低，国内企业技术实力雄厚，在电主轴性价比方面占有绝对优势，因此国外产品一般很少用到。由于大功率电主轴技术难度大，能进行生产的企业不多，目前尚处于样机阶段。在电主轴的数控机床的需求增加的趋势下，数控机床专用电主轴将替代磨用电主轴成占领电主轴市场。与国内不同的是，国外电主轴起源于内圆磨床，早在上世纪末，随着机械主轴发展过慢，越来越不能满足高性能数控机床、高速切削的发展和生产需要，电主轴技术凭借近年来取得的重大成就和良好的技术支持使其广泛应用于加工中心、数控机床等高端数控机床中。为了能满足机床技术、高速切削技术的发展和
16、实际应用的需要，数控机床用电主轴的性能必须不断提高，这对高水平企业来说是发展的动力。目前国外著名的机床用电主轴制造商有：德国 GMN 和Cytec、西门子、瑞士 IBAG 和 StepTec、Fishcher 、美国 Setco、意大利 Omlet和 Gamfior、日本大隈等，其中 GMN、IBAG 、Omlet 、Setco、Gammfier 等企业代表了世界电主轴行业的最高水平。这些国外公司电主轴产品与国内的相比，有以下几明显个优势：转速高、重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论2功率大。轴承速度高、刚度高。不同轴承的运用场合不同，其中陶瓷轴承和液体动静压轴承主要应用在高速精密主轴上
17、，空气润滑轴承和磁悬浮轴承主要用于特殊场合。加工与装配精度高，工艺高超。相关控制系统性能好。这些控制系统包括转子平衡系统、定转子冷却温度精密控制系统、轴承油气润滑与精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。国外诸多企业在这个基础上，研发出了多种高技术水平的高速机床。如世界著名的精密机床制造商之一的瑞士米克朗公司，它生产的机床配备所有的电主轴均使用恒温冷却水套来对主轴电机和轴承进行冷却，并通过高压油雾对复合陶瓷轴承进行润滑。这种转矩最高可达 60000r/min 的高速电主轴，采用矢量控制技术，在低转速时可输出大扭矩因此可以满足不同的切削要求。由于高速切削 1和实际应用的需要，数控机床电主轴
18、在轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具 2及其接口技术等相关技术快速发展趋势下，高速化成为主流。在这个技术潮流下，瑞士 IBAG 的钻、铣用电主轴 HF42 的转速最高可达 140000r/min，英国 WestWind 公司的 PCB 钻孔机电主轴 D1733 更是达到了 250000r/min；瑞士 FISCHER 的加工中心志用电主轴最高转速达到 42000r/min，意大利 CAMFIOR 达到了 75000r/min。轴承及润滑技术的不断发展，使电主轴的系统刚度越来越大，这大大提高了高速电主轴的性能，使其更好的推动数控机床向高速、高效率和高精度的方向发展。大多数控
19、机床在实际使用时需要同时满足在低速时粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此，要成为机床电主轴，就必须低速大转矩、高速大功率的性能。目前，世界高端的加工中心用电主轴无论是在高速段还是低速段，达到了一定的高度，意大利 CAMFIOR、瑞士 StepTec、德国 GMN 等制造商的研发的产品，在低速段输出转矩能轻松达到 200Nm 以上，德国 CYTEC生产的数控铣床和车床用电主轴，最大扭矩更是达到了 630N.m 的高度；在高速段大功率方面， CYTEC 电主轴的最大输出功率为 50kW；瑞士 StepTec 用于制造航空器和加工模具的电主轴的最大功率更是达到 65kW(S1)；此外，还有
20、报道称目前还处在研发阶段的电主轴功率可达到 80kW。1.1.2 国内外高速电主轴的差距国内电主企业国外相比在产品研发的能力、投入和技术的创新能力上相对落后，唯一具有的是相对成本优势，这并不乐观。国外数控机床主轴公司分工很细很明确，研发主要包括电主轴的总体设计、技术研发以及零部件装配和测试工作，而像主轴轴承、驱动电机、主轴松拉刀机构、动力油缸或气缸、主轴轴承润滑油品等关键零部件统一从别的企业采购，这样使自身的研究方向更细重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论3致，加快了研发速度。细致的分工与不断的投入，使电主轴这个产业具有组织性和互补性，机床主轴生产商与各附件生产商之间形成了良性合作的循环
21、，并不提高和展本专业的关键技术，一环带动一环，从而带动了国外电主轴行业的整体技术水平不断提高。然而，国内电主轴行业由于竞争意识太强，技术资源比较分散。大多数企业目光短浅，基本上是在模仿国内外的电主轴产品进行生产，这种短期效益带来的后果是企业技术实力落后，严重缺乏创新能力，使行业畸形发展。虽然作为原来国家轴承行业的技术领先的洛阳轴研科技，自身具备一定的研发实力，但缺乏过硬的产品和关键技术。在电主轴轴承的润滑方式、零部件材料、加工工艺路线、内装式驱动电机、拉刀接口等方面，特别在如伺服驱动控制器、编码器、动力缸、智能传感器等电主轴的附件领域，国外产品占主导地位。正是这几个方面制约了国内高性能数控机床
22、的发展。国内外电主轴产品的差距无论是附件、性能、关键技术还是质量上都是比较明显的，主要存在以下差距:(1)在电主轴低速段最大输出转矩，国外电主轴在可以达到 200Nm 以上，德国的 CYTEC 更是达到 600Nm，而国内目前普遍在 100Nm 以内。(2)在最高输出转速上，国外用于加工中心的电主轴的转速已经达到75000rmin，而我国最高只到 20000r/min。对于其它电主轴，英国 WestWind公司 D1733 的转速已经达到了 250000r/min，而国内电主轴的最高只能达到150000r/min。(3)电主轴常用润滑方式上，在国外高速电主轴行业，油气润滑技术已经普遍应用，而国
23、内主要以油脂润滑和油雾润滑为主。(4)在电主轴发展方向，国外在常规电主轴不断完善的基础上，开始向多功能、高性能的新型数控机床用电主轴转移，而国内主要以常规产品为主。(5)在电主轴的支承技术上，国外成功研究出了采用动、静压液(气) 浮轴承和磁浮轴承的电主轴，国内大多处于研发或小批量生产阶段。(6)在关键技术方面，国外电主轴驱动电机的交流伺服技术、闭环矢量控制技术、C 轴传动技术、停机角向准确定位( 准停)技术、快速启动与停止技术、HSK 刀柄制造与应用技术、主轴智能监控技术等是趋成熟，国内的相关技术还不够成熟，距离实际应用还要相应的改善。(7)在产品的种类和规模方面，国内高性能数控机床专用电主轴
24、的研究处于起步阶段，相应的技术投入比较少，还是以生产磨床专用电主轴为主，想达到专业化、规模化的生产还需要更多努力，与国外已经形成一定规模电主轴行业相比，需要更多的投入来满足国内市场，并与国外产品相竞争。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论4欧美公司在关键部件的研发上具有很强的前瞻性和创新能力，国际上涉及电主轴的比如编码器系统、刀具接口、电机工作制等的国际标准和产品都是欧美相关企业制定和生产的，这是他们最具有优势的地方。1.2 直接转矩控制技术的发展和现状1.2.1 直接转矩控制技术的现状及发展趋势1895 年，德国的 M.Depenbrock 提出直接转矩控制 3的理论，就是在实现对磁链
25、的控制的同时，也实现对直接转矩的控制。直接转矩控制这种新型技术一出现，就凭借新颖的控制思想，简洁的系统结构及优良的静态性能受到业界广泛的关注而快速的发展。根据 M.Depenbrock 所提出的直接转矩控制理论系统，这是一个六边形的控制系统。其磁链轨迹在六边上分别有相应六个非零电压矢量与其对应，组合起来正好可以按正六边形 4的方式运动。根据这个特点，将六个工作状态通过转换可直接由六个非零电压矢量来实现六边形磁链轨迹以及磁环控制，从而实现直接转矩控制。1986 年，日本东芝的 Takahashi 教授在六边形方案的基础上，提出了对磁链轨迹圆形 5控制方案，实现了让磁链轨迹基本沿着近似圆形的轨迹运
26、动。这是一种磁链的实时控制，通过考虑某一时刻磁链所在位置，综合计算得到的该时刻的磁链幅值与给定值比较结果来选择电压矢量以及持续时间，从而实现直接转矩控制。T.G.Haberler 提出了一种预前控制，即固定开关周期条件下，根据当前状态下电机的磁链误差、转矩和反电势，通过计算和比较选择出可以满足下一状态的空间电压矢量，从而实现对恒逆变开关频率控制。最近研究出一种更新型的直接转矩控制系统，为了解决超大功率传动的问题，其逆变器采用软件开关式，这使得开关频率可以达到几千 Hz。系统整体上采用谐振式逆变器构成，摒弃了滞环并使用纯 Band-Band 的控制方式，使控制系统更容易实现。有学者提出利用感应电动机定子磁链定向的解耦模型，首先通过求出的d、q 轴的定子电流得到 d、q 轴定子电压指令，经转换后可得出静止坐标下对应的定子电压矢量，即利用定子磁通定向的新型控制方案。近几年来，国外常常用具有高速运算功能的数字信号处理器（DSP）来解决高性能交流电气传动数字控制中测量及控制的速度问题，以弥补单片机运算速度慢的缺点，这是随着 DSP 技术的发展而出现的。
