銑鉆床高速電主軸調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2017-2-27 來(lái)源：河北工業(yè)大學(xué) 作者：鄭易，閏旭，董硯，孫鶴旭
摘要：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(lái)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(xiě)，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。。
關(guān)鍵詞：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(guò)10 000 r／min的電主軸通常稱(chēng)為高速電主軸，它具有高速、無(wú)級(jí)傳動(dòng)和零傳動(dòng)鏈的特點(diǎn)。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(lái)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，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(chēng)SVPWM)技術(shù)是i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M 3。
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(guò)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(lái)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(guò)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SVP—WM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。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l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(lái)確定電主軸定子電壓幅值以，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p。101。定子電壓矢量的幅值求取如下：
通過(guò)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(kāi)環(huán)電壓空間矢量來(lái)合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在程序執(zhí)行過(guò)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2個(gè)空間矢量來(lái)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(mǎn)足電壓矢量的調(diào)制要求。
圖2 空間矢量位置圖
通過(guò)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(kāi)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(mǎn)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SVP—WM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。控制系統(tǒng)首先將設(shè)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄗ哟艌?chǎng)頻l率，然后利用V／F控制得到電壓矢量的幅值及位，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。控制系統(tǒng)模型中的高速電主軸定電壓為48 V，額定功率為240 W，額定電流為6 A，額定轉(zhuǎn)速60 000 r／min。由于電主軸起動(dòng)過(guò)程中一直處于空載狀態(tài)，起動(dòng)完成后才開(kāi)始進(jìn)行機(jī)械加工。在電主軸起動(dòng)至20 000 r／min后，以0．006 N·In來(lái)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．
圖4 20 000 r／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(guò)0．7 s起動(dòng)至20 000r／min后，在1 s時(shí)將負(fù)載變?yōu)?．006 N·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(guò)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(guò)0．1 s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(kāi)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變頻凋速硬件系統(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)見(jiàn)0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0．01 N·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4．6 s負(fù)載發(fā)生突變，電主軸定子電流在5．4 s到達(dá)平穩(wěn)狀態(tài)，說(shuō)明電主軸在負(fù)載突變時(shí)，經(jīng)過(guò)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(guò)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。60 000 r／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60 000 r／min時(shí)，在4．6 s時(shí)開(kāi)始制動(dòng)，經(jīng)過(guò)約1．2 s的時(shí)間完成主軸制動(dòng)，且沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)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(yǔ)
通過(guò)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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