永磁同步电主轴驱动技术研究

发布时间：2017-09-11 04:25

  本文关键词：永磁同步电主轴驱动技术研究

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【摘要】：电主轴是现代数控机床的核心部件,可以提高数控系统的加工效率和加工质量。永磁同步电主轴(permanent magnet synchronous spindle, PMSS)具有结构紧凑、效率高、功率密度大等优势,是数控机床应用领域的一个重要趋势。因此,研发出具有自主知识产权的高端永磁同步电主轴驱动系统具有重大的意义。本文主要进行了PMSS区动系统的设计,包含PMSS控制算法软件系统的设计以及驱动硬件系统的设计。首先,本文介绍了课题研究的背景和意义,并从电主轴发展现状、电主轴驱动系统发展现状以及电主轴驱动技术研究现状三个方面做了较为详细的调研和阐述。然后,简介了PMSS的基本结构,建立了PMSS的数学模型,详细地介绍了矢量控制和弱磁扩速控制的原理,设计了基于id=0的电流矢量控制、SVPWM脉宽调制、基于q轴电压差反馈法的弱磁控制,并利用Matlab/Simulink软件搭建了PMSS驱动系统仿真模型,进行了矢量控制和弱磁控制的仿真与分析。其次,考虑到经典PI调节器对增益变化的敏感性,存在“快速性”和“超调”的矛盾,以及积分反馈易造成振荡和积分饱和的缺陷,会对速度环产生影响,尤其是在系统外部存在负载扰动的情况下,系统的速度跟踪性能将受到较大影响。因此就PMSS速度扰动技术进行了研究,设计了速度环自抗扰控制(ADRC)调节器,该调节器利用扩张状态观测器(ESO)对系统中的内外部“总扰动”进行估计及补偿,并利用非线性状态误差反馈控制器(NLSEF)对状态估计的误差进行非线性组合来获得合适的控制量,并进行了相应的仿真与分析。仿真结果显示采用速度环ADRC调节器的系统可以很好地抑制外部扰动,可以获得优于经典PI调节器的控制性能。最后,基于DSP+CPLD进行了永磁同步电主轴驱动系统的硬件设计以及软件设计。其中,硬件设计主要包括电源变换器、主控板、主回路、IGBT驱动器等：软件设计主要包含电机的启动策略、矢量控制算法、弱磁控制算法、PI调节器等。结合项目组研制的一款永磁同步电主轴,对整个驱动系统进行了试验与测试。实验结果显示：本课题设计的驱动系统可实现基速以下到基速以上的平滑过渡,能够在较宽速度域内平稳运行且具有一定的鲁棒性,这也验证了本课题所设计的驱动系统的有效性。
【关键词】：永磁同步电主轴 矢量控制 弱磁控制 扰动研究 DSP
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG659
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-17
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 PMSS驱动系统研究现状9-15
• 1.2.1 国内外电主轴的发展现状9
• 1.2.2 国内外电主轴驱动系统的发展现状9-10
• 1.2.3 电主轴驱动技术研究现状10-15
• 1.3 课题来源及主要研究内容15-17
• 1.3.1 课题来源15
• 1.3.2 课题研究内容15-17
• 2 PMSS的数学模型及其控制技术17-39
• 2.1 PMSS的结构简介17-18
• 2.2 永磁同步电主轴数学模型的建立18-19
• 2.3 矢量控制技术19-29
• 2.3.1 坐标变换19-20
• 2.3.2 i_d=0控制20
• 2.3.3 电压空间矢量PWM(SVPWM)技术20-26
• 2.3.4 矢量控制仿真与分析26-29
• 2.4 PMSS弱磁扩速技术29-38
• 2.4.1 弱磁控制原理30-34
• 2.4.2 基于q轴电压差反馈法的弱磁控制34-36
• 2.4.3 弱磁控制仿真与分析36-38
• 2.5 本章小结38-39
• 3 PMSS速度环扰动调节器设计39-47
• 3.1 引言39
• 3.2 自抗扰控制器的原理39-41
• 3.2.1 跟踪微分器(TD)40
• 3.2.2 扩张状态观测器(ESO)40-41
• 3.2.3 非线性状态误差反馈控制器(NLSEF)41
• 3.3 ADRC在PMSS中的应用41-43
• 3.3.1 基于ADRC的速度环设计与仿真实现41-42
• 3.3.2 ADRC的参数整定方法42-43
• 3.4 仿真与分析43-45
• 3.5 本章小结45-47
• 4 PMSS驱动装置设计47-67
• 4.1 引言47
• 4.2 PMSS驱动装置硬件设计47-56
• 4.2.1 驱动装置总体硬件结构47
• 4.2.2 电源变换器设计47-49
• 4.2.3 控制器设计49-53
• 4.2.4 主回路设计53-54
• 4.2.5 IGBT驱动电路设计54-56
• 4.3 PMSS驱动装置软件设计56-59
• 4.3.1 软件主程序部分56
• 4.3.2 软件中断服务程序部分56-58
• 4.3.3 其它程序模块举例说明58-59
• 4.4 PMSS驱动装置实验59-65
• 4.4.1 PMSS电气参数说明59
• 4.4.2 实验测试的结果与分析59-65
• 4.5 本章小结65-67
• 5 结论与展望67-69
• 5.1 工作结论67-68
• 5.2 工作展望68-69
• 致谢69-71
• 参考文献71-75
• 附录75

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