鄭 易，閆 旭，董 硯，孫鶴旭

(河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130)

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銑鉆床高速電主軸調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭 易，閆 旭，董 硯，孫鶴旭

(河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130)

根據(jù)小型銑鉆床的加工要求和特點(diǎn)，在分析了高速電主軸負(fù)載特性的基礎(chǔ)上，確定了使用V/F控制方法結(jié)合空間矢量調(diào)制技術(shù)來設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)。并用MATLAB中的Simulink工具箱對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，證明了系統(tǒng)具有較好的控制效果。最后基于DSP芯片完成了控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)及軟件程序的編寫，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果證明控制效果良好。。

高速電主軸；空間矢量調(diào)制；調(diào)速系統(tǒng)；DSP；V/F控制

0 引 言

主軸電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為高速銑鉆床的核心部件之一，其輸出性能對(duì)高速機(jī)床的整體水平是非常關(guān)鍵的。轉(zhuǎn)速超過10 000 r/min的電主軸通常稱為高速電主軸，它具有高速、無級(jí)傳動(dòng)和零傳動(dòng)鏈的特點(diǎn)[1]。與普通機(jī)床主軸相比，它在功率傳遞性能和動(dòng)態(tài)平衡能力方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用高速電主軸的高速機(jī)床控制越來越受到人們的關(guān)注。目前較為常用的機(jī)床主軸控制方法有恒壓頻比控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制三種，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)后兩種控制方法進(jìn)行了很多研究[2-4]，使電主軸進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較為頻繁的加工時(shí)可以獲得較好的控制效果。但是，為了實(shí)現(xiàn)上述精確控制，需要在調(diào)速系統(tǒng)中添加磁鏈觀測(cè)器對(duì)主軸轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行觀測(cè)，這樣使得算法時(shí)間較長(zhǎng)，不適用于高速電主軸控制。而V/F控制對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載具有較好的控制效果，其控制方法簡(jiǎn)單，占用系統(tǒng)時(shí)間少，更適合于高速控制。

空間矢量脈寬調(diào)制(以下簡(jiǎn)稱SVPWM)技術(shù)是電機(jī)控制領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，目前在電氣傳動(dòng)的許多方面得到了廣泛的應(yīng)用。其逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，比傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制逆變器輸出電壓高15%，且能顯著減少逆變器輸出電流的諧波成分及電機(jī)的諧波損耗，使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小[5-6]。

本文中的高速銑鉆床主要用于對(duì)印制電路板進(jìn)行切削及鉆孔等加工，在加工過程中負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本保持恒定，可以認(rèn)為高速銑鉆床加工時(shí)的負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。而且，由于電主軸轉(zhuǎn)速較高，要求控制方法的實(shí)現(xiàn)速度快，所以選擇了恒壓頻比控制來完成對(duì)主軸轉(zhuǎn)速及輸出轉(zhuǎn)矩的控制。同時(shí)為了更好地保證調(diào)速系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩恒定，采用電壓空間矢量調(diào)制方法進(jìn)行電壓調(diào)制，完成對(duì)高速電主軸調(diào)速系統(tǒng)的控制。本文通過MATLAB仿真驗(yàn)證了調(diào)速系統(tǒng)的有效性，最后基于DSP芯片完成了對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

1 調(diào)速系統(tǒng)控制原理

高速電主軸調(diào)速系統(tǒng)使用V/F控制結(jié)合SVPWM的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定轉(zhuǎn)速就可以得到完成主軸調(diào)速所需定子電壓矢量的幅值以及定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而得到電壓矢量的相位和作用的時(shí)間[7-8]。根據(jù)SVPWM方法，使電壓矢量在定子上按照一定的順序依次作用相應(yīng)的時(shí)間，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)完成對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的控制。調(diào)速系統(tǒng)控制的具體原理如圖1所示。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)控制原理圖

由圖1可知，完成電主軸的變頻調(diào)速控制，首先需要根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)定轉(zhuǎn)速來確定電主軸定子電壓幅值Us，為了保證較好的控制效果，需要對(duì)定子電壓矢量進(jìn)行補(bǔ)償[9-10]。定子電壓矢量的幅值求取如下：

(1)

式中:I為定子繞組上流過的電流；R為定子電阻；ns為設(shè)定轉(zhuǎn)速；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；k為V/F的比值。其中k的選取需要根據(jù)電主軸的具體參數(shù)進(jìn)行求取。本文中所用電主軸，p=1，R=0.8Ω，最高轉(zhuǎn)速60 000r/min下對(duì)應(yīng)的工作頻率f為1kHz，額定電壓為48V，所以可得k的值：

(2)

通過式(1)和式(2)可以得到電壓所需調(diào)制出的電壓矢量的幅值。因此，本文對(duì)需要進(jìn)行復(fù)雜坐標(biāo)變換和矢量合成的傳統(tǒng)SVPWM進(jìn)行了適當(dāng)優(yōu)化，即采用固定位置點(diǎn)的開環(huán)電壓空間矢量來合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在程序執(zhí)行過程中直接采用查表的方式進(jìn)行電壓矢量的調(diào)制，這大大縮短了運(yùn)算時(shí)間，更加適用于高速電主軸控制。本文使用如圖2所示的12個(gè)空間矢量來完成電壓矢量的調(diào)制，所合成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為一個(gè)12邊形，接近圓形，可以滿足電壓矢量的調(diào)制要求。

圖2 空間矢量位置圖

如圖2所示，合成空間矢量的12個(gè)電壓矢量相互之間相差30°。圖中U1～U6分別對(duì)應(yīng)逆變器開關(guān)狀態(tài)下直接確定的6個(gè)基本電壓矢量，而U12，U23，U34，U45，U56，U61六個(gè)電壓矢量需要利用基本的六個(gè)電壓矢量來合成，由于電壓矢量的位置已經(jīng)確定，所以根據(jù)上文確定電壓矢量的幅值就可以確定電壓矢量的合成方法，如下：

(3)

式中:Uxy表示需要合成的電壓矢量，Us表示式(1)中求出的電壓矢量幅值，Umax表示電壓矢量幅值的最大值。Ux和Uy分別表示對(duì)應(yīng)的基本電壓矢量。

通過式(3)，只用簡(jiǎn)單的四則運(yùn)算就可以很方便地確定電壓矢量的合成方法，再根據(jù)6個(gè)基本的電壓矢量對(duì)應(yīng)的逆變器開關(guān)狀態(tài)，就可以得到如表1所示的所有電壓矢量對(duì)應(yīng)的三路SVPWM信號(hào)的占空比。

表1 空間矢量對(duì)應(yīng)三路SVPWM占空比

由表1可以看出，簡(jiǎn)化的SVPWM調(diào)制僅根據(jù)所需電壓矢量的幅值就可以得到脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比，省去了傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制中應(yīng)用的坐標(biāo)變換以及矢量合成，大大加快了調(diào)制速度，使其可以滿足脈寬調(diào)制信號(hào)快速調(diào)制的要求。

2 高速電主軸調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

為了驗(yàn)證上文中確立的以V/F控制結(jié)合SVPWM調(diào)制的方法確定的調(diào)速系統(tǒng)的控制效果，利用MATLAB對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。本文在MATLAB/Simulink中搭建了基于V/F控制和SVPWM調(diào)制技術(shù)的高速電主軸控制系統(tǒng)模型，并對(duì)控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。圖3給出了在Simulink中搭建的控制系統(tǒng)仿真模型。

圖3 控制系統(tǒng)仿真模型

由圖3可知，系統(tǒng)主要由速度給定、變頻起動(dòng)模塊、V/F控制模塊、SVPWM模塊以及功率驅(qū)動(dòng)模塊組成?？刂葡到y(tǒng)首先將設(shè)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄗ哟艌?chǎng)頻率，然后利用V/F控制得到電壓矢量的幅值及相位，再利用SVPWM調(diào)制模塊得到所需的脈寬調(diào)制信號(hào)，從而控制逆變器工作，得到所需的電壓矢量完成對(duì)電主軸的調(diào)速控制?？刂葡到y(tǒng)模型中的高速電主軸定電壓為48V，額定功率為240W，額定電流為6A，額定轉(zhuǎn)速60 000r/min。

由于電主軸起動(dòng)過程中一直處于空載狀態(tài)，起動(dòng)完成后才開始進(jìn)行機(jī)械加工。在電主軸起動(dòng)至20 000r/min后，以0.006N·m來模擬真實(shí)的負(fù)載情況，電主軸帶載運(yùn)行的定子電流、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的仿真波形如圖4所示。

(a) A相電流

(b) 給定轉(zhuǎn)速

(c) 實(shí)際轉(zhuǎn)速

(d) 給定轉(zhuǎn)矩

(e) 實(shí)際轉(zhuǎn)矩

圖4 20 000r/min時(shí)電主軸帶載運(yùn)行仿真波形

圖4中，高速電主軸經(jīng)過0.7s起動(dòng)至20 000r/min后，在1s時(shí)將負(fù)載變?yōu)?.006N·m。從圖4中可以觀察到，電主軸完成起動(dòng)后突加負(fù)載時(shí)，電主軸會(huì)有一個(gè)短暫的調(diào)節(jié)過程，主軸轉(zhuǎn)速會(huì)有所降低，同時(shí)轉(zhuǎn)矩迅速上升，大約經(jīng)過0.1s后，電主軸就能很快地完成調(diào)節(jié)。帶載運(yùn)行后，電主軸轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速仍然保持恒定，由于轉(zhuǎn)速開環(huán)控制轉(zhuǎn)速會(huì)有小幅的下降。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文基于TI公司的DSP2407芯片設(shè)計(jì)了高速電主軸調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路。電主軸變頻調(diào)速硬件系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 變頻調(diào)速硬件系統(tǒng)

在對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)后，進(jìn)而在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的功能進(jìn)行了實(shí)際的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖6中，分別給出了控制系統(tǒng)的硬件電路板、高速電主軸、直流供電電源以及示波器。為了詳細(xì)測(cè)試調(diào)速系統(tǒng)的控制性能，分別對(duì)電主軸進(jìn)行了帶載運(yùn)行和快速制動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。

3.1 帶載運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

實(shí)際加工時(shí)，電主軸為空載起動(dòng)，帶載運(yùn)行的工作模式。圖7給出了電主軸帶0.01N·m負(fù)載運(yùn)行時(shí)U相的電流波形。

圖7 帶載情況下定子電流波形

如圖7所示，電主軸在4.6s負(fù)載發(fā)生突變，電主軸定子電流在5.4s到達(dá)平穩(wěn)狀態(tài)，說明電主軸在負(fù)載突變時(shí)，經(jīng)過短暫的調(diào)整就可以很快調(diào)節(jié)到當(dāng)前負(fù)載所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而提供恒轉(zhuǎn)矩輸出。

3.2 快速制動(dòng)實(shí)驗(yàn)

由于電主軸在加工過程中需要其進(jìn)行頻繁的起、制動(dòng)操作，所以為了保證加工效率，要求電機(jī)的起、制動(dòng)時(shí)間盡量短。60 000r/min時(shí)電主軸制動(dòng)時(shí)U相電流波形如圖8所示。

圖8 制動(dòng)時(shí)定子電流波形

電主軸運(yùn)行在60 000r/min時(shí)，在4.6s時(shí)開始制動(dòng)，經(jīng)過約1.2s的時(shí)間完成主軸制動(dòng)，且沒有出現(xiàn)過流的現(xiàn)象。所以本文設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電主軸的快速起、制動(dòng)操作。

4 結(jié) 語

通過以上的仿真和實(shí)驗(yàn)分析可知，本文基于DSP2407設(shè)計(jì)的高速電主軸調(diào)速系統(tǒng)，具有快速起動(dòng)、制動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩恒定，靜態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)，這保證了電主軸應(yīng)用于銑鉆床時(shí)的加工要求。

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Design for Motorized Spindle Speed Regulating System of High-Speed Milling and Drilling Machine

ZHENG Yi，YAN Xu，DONG Yan，SUN He-xu

(Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

The speed control system with V/F control method combines space vector modulation was designed, according to the processing requirements and characteristics of small milling drilling. And the control system was simulated with simulink of MATLAB. The control system hardware circuit was completed and the software program was written based on the DSP chip. Through the systematic experimental study, the results show good control effect.

high-speed motor spindle; SVPWM; speed control system; DSP; V/F control

2015-04-27

河北省重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(13041709Z)；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2013202108)；河北省發(fā)改委項(xiàng)目(2013)

TM355

A

1004-7018(2016)02-0058-04

鄭易 (1979-)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)控制、開關(guān)磁阻電機(jī)電流控制。