鄭 易，閆 旭，董 硯，孫鶴旭

(河北工業(yè)大學，天津 300130)

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銑鉆床高速電主軸調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

鄭 易，閆 旭，董 硯，孫鶴旭

(河北工業(yè)大學，天津 300130)

根據(jù)小型銑鉆床的加工要求和特點，在分析了高速電主軸負載特性的基礎(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)計調(diào)速系統(tǒng)。并用MATLAB中的Simulink工具箱對設(shè)計的控制系統(tǒng)進行仿真研究，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)計及軟件程序的編寫，并對系統(tǒng)進行了實驗研究，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

主軸電機調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)作為高速銑鉆床的核心部件之一，其輸出性能對高速機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、無級傳動和零傳動鏈的特點[1]。與普通機床主軸相比，它在功率傳遞性能和動態(tài)平衡能力方面具有很大的優(yōu)勢，應(yīng)用高速電主軸的高速機床控制越來越受到人們的關(guān)注。目前較為常用的機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，國內(nèi)外學者針對后兩種控制方法進行了很多研究[2-4]，使電主軸進行負載轉(zhuǎn)矩變化較為頻繁的加工時可以獲得較好的控制效果。但是，為了實現(xiàn)上述精確控制，需要在調(diào)速系統(tǒng)中添加磁鏈觀測器對主軸轉(zhuǎn)子位置進行觀測，這樣使得算法時間較長，不適用于高速電主軸控制。而V/F控制對恒轉(zhuǎn)矩負載具有較好的控制效果，其控制方法簡單，占用系統(tǒng)時間少，更適合于高速控制。

空間矢量脈寬調(diào)制(以下簡稱SVPWM)技術(shù)是電機控制領(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù)，目前在電氣傳動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的諧波損耗，使電機的轉(zhuǎn)矩脈動減小[5-6]。

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

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的方法進行設(shè)計。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的旋轉(zhuǎn)速度，進而得到電壓矢量的相位和作用的時間[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)的時間，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場完成對調(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，需要對定子電壓矢量進行補償[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為電機極對數(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，本文對需要進行復(fù)雜坐標變換和矢量合成的傳統(tǒng)SVPWM進行了適當優(yōu)化，即采用固定位置點的開環(huán)電壓空間矢量來合成旋轉(zhuǎn)磁場，在程序執(zhí)行過程中直接采用查表的方式進行電壓矢量的調(diào)制，這大大縮短了運算時間，更加適用于高速電主軸控制。本文使用如圖2所示的12個空間矢量來完成電壓矢量的調(diào)制，所合成的旋轉(zhuǎn)磁場為一個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個電壓矢量相互之間相差30°。圖中U1～U6分別對應(yīng)逆變器開關(guān)狀態(tài)下直接確定的6個基本電壓矢量，而U12，U23，U34，U45，U56，U61六個電壓矢量需要利用基本的六個電壓矢量來合成，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分別表示對應(yīng)的基本電壓矢量。

通過式(3)，只用簡單的四則運算就可以很方便地確定電壓矢量的合成方法，再根據(jù)6個基本的電壓矢量對應(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應(yīng)的三路SVPWM信號的占空比。

表1 空間矢量對應(yīng)三路SVPWM占空比

由表1可以看出，簡化的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)制信號的占空比，省去了傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制中應(yīng)用的坐標變換以及矢量合成，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對調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真研究。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，并對控制系統(tǒng)的控制效果進行了仿真驗證。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、變頻起動模塊、V/F控制模塊、SVPWM模塊以及功率驅(qū)動模塊組成?？刂葡到y(tǒng)首先將設(shè)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄗ哟艌鲱l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，從而控制逆變器工作，得到所需的電壓矢量完成對電主軸的調(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。

由于電主軸起動過程中一直處于空載狀態(tài)，起動完成后才開始進行機械加工。在電主軸起動至20 000r/min后，以0.006N·m來模擬真實的負載情況，電主軸帶載運行的定子電流、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) 實際轉(zhuǎn)速

(d) 給定轉(zhuǎn)矩

(e) 實際轉(zhuǎn)矩

圖4 20 000r/min時電主軸帶載運行仿真波形

圖4中，高速電主軸經(jīng)過0.7s起動至20 000r/min后，在1s時將負載變?yōu)?.006N·m。從圖4中可以觀察到，電主軸完成起動后突加負載時，電主軸會有一個短暫的調(diào)節(jié)過程，主軸轉(zhuǎn)速會有所降低，同時轉(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)速會有小幅的下降。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計及實驗驗證

本文基于TI公司的DSP2407芯片設(shè)計了高速電主軸調(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)

在對硬件電路進行設(shè)計后，進而在實驗室條件下搭建了系統(tǒng)實驗平臺，對調(diào)速系統(tǒng)的功能進行了實際的驗證。實驗平臺如圖6所示。

圖6 實驗平臺

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。為了詳細測試調(diào)速系統(tǒng)的控制性能，分別對電主軸進行了帶載運行和快速制動的實驗。

3.1 帶載運行實驗

實際加工時，電主軸為空載起動，帶載運行的工作模式。圖7給出了電主軸帶0.01N·m負載運行時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負載發(fā)生突變，電主軸定子電流在5.4s到達平穩(wěn)狀態(tài)，說明電主軸在負載突變時，經(jīng)過短暫的調(diào)整就可以很快調(diào)節(jié)到當前負載所對應(yīng)的運行狀態(tài)，從而提供恒轉(zhuǎn)矩輸出。

3.2 快速制動實驗

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

圖8 制動時定子電流波形

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

4 結(jié) 語

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

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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)化項目(13041709Z)；河北省自然科學基金項目(E2013202108)；河北省發(fā)改委項目(2013)

TM355

A

1004-7018(2016)02-0058-04

鄭易 (1979-)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為電氣傳動控制、開關(guān)磁阻電機電流控制。