高性能主軸感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究.pdf

1、主軸感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床最核心的部件之一，其運(yùn)動(dòng)性能的好壞直接決定了數(shù)控系統(tǒng)水平的高低。自主開發(fā)高性能的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，研究其相關(guān)的設(shè)計(jì)和開發(fā)技術(shù)并取得突破，對(duì)國家在高檔數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和核心競爭力，將起到至關(guān)重要的作用。
　　 主軸感應(yīng)電機(jī)高速化是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢之一，其相關(guān)控制策略也日漸成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。本文以開發(fā)全數(shù)字高速、高性能主軸感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為目的，對(duì)磁場定向理論，尤其是高速情況下，考慮鐵耗

2、的間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制理論進(jìn)行深入的研究，同時(shí)對(duì)參數(shù)離線自動(dòng)辨識(shí)、弱磁策略優(yōu)化、高速運(yùn)行過程中感應(yīng)電機(jī)參數(shù)變化及其磁場定向準(zhǔn)確性問題、以及脈寬調(diào)制策略和其實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　 間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制以其實(shí)現(xiàn)簡單，控制性能優(yōu)良而成為高性能感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流控制策略。通常情況下，間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制忽略了鐵耗的影響，而主軸感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行速度范圍寬，最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到基速的4-6倍，本文對(duì)這種高速情況下鐵耗在間接轉(zhuǎn)子磁場定向中

3、的影響進(jìn)行了深入的分析，指出鐵耗不能再被忽略，并采用包含鐵耗的感應(yīng)電機(jī)模型，結(jié)合坐標(biāo)變換理論，推導(dǎo)出包含鐵耗補(bǔ)償?shù)拈g接轉(zhuǎn)子磁場定向控制方案。
　　 間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制需要電機(jī)參數(shù)，本文在既有參數(shù)離線自動(dòng)辨識(shí)方法的基礎(chǔ)上，考慮工程實(shí)現(xiàn)中的若干問題，結(jié)合間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)一步完善了參數(shù)離線自動(dòng)辨識(shí)的方法，提高了辨識(shí)精度并簡化了算法。
　　 感應(yīng)電機(jī)高速運(yùn)行需要弱磁，弱磁策略的好壞決定了電機(jī)高速帶載能力的強(qiáng)弱

4、。本文依據(jù)感應(yīng)電機(jī)正常運(yùn)行所必須遵從的電壓約束、電流約束和最大轉(zhuǎn)差率限制的三個(gè)條件，推導(dǎo)得到輸出轉(zhuǎn)矩最大化的磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流優(yōu)化分配方案，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過合理簡化，提出了一種算法簡單、可靠性高的優(yōu)化弱磁工程方案。
　　 磁場定向不準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能變差，弱磁策略優(yōu)化效果減弱，嚴(yán)重時(shí)甚至使電流失控。感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子電阻會(huì)隨著溫度變化而變化，電感在弱磁過程中也會(huì)發(fā)生變化，并且隨著轉(zhuǎn)速的升高，鐵耗也不再可以忽略，如果不考慮這些變

5、化，系統(tǒng)磁場定向?qū)?huì)產(chǎn)生偏差。本文對(duì)感應(yīng)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的這些變化進(jìn)行分析，并提出一系列工程補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ员ＷC高速時(shí)磁場定向的準(zhǔn)確性和弱磁優(yōu)化的效果。
　　 空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）過調(diào)制技術(shù)可以提高直流母線電壓利用率，增強(qiáng)感應(yīng)電機(jī)弱磁區(qū)帶載能力。本文針對(duì)間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)電壓給定的特點(diǎn)，提出新的過調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)從連續(xù)調(diào)制到過調(diào)制、乃至六拍階梯波（Six-step）調(diào)制運(yùn)行的平滑過渡，使逆變器輸出電壓達(dá)到最大，進(jìn)一步拓

6、寬感應(yīng)電機(jī)恒功率運(yùn)行范圍。為了滿足一些特殊應(yīng)用場合的低噪聲要求，本文還提出一種新的、適合于間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)的雙隨機(jī)脈寬調(diào)制策略。
　　 構(gòu)建DSP＋CPLD的控制硬件平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上完成包含弱磁優(yōu)化策略和參數(shù)校正的間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)，結(jié)合智能功率模塊（IPM）設(shè)計(jì)完成功率硬件，并制作樣機(jī)。利用高速帶載測試平臺(tái)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了全面的測試，試驗(yàn)結(jié)果表明本文所提出的改進(jìn)和優(yōu)化策略是可行的，并取得了滿意的效果。