高性能主軸感應(yīng)電機驅(qū)動技術(shù)研究.pdf

1、主軸感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)是數(shù)控機床最核心的部件之一，其運動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)動系統(tǒng)，研究其相關(guān)的設(shè)計和開發(fā)技術(shù)并取得突破，對國家在高檔數(shù)控機床領(lǐng)域擁有自主知識產(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。本文以開發(fā)全數(shù)字高速、高性能主軸感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)為目的，對磁場定向理論，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行深入的研究，同時對參數(shù)離線自動辨識、弱磁策略優(yōu)化、高速運行過程中感應(yīng)電機參數(shù)變化及其磁場定向準確性問題、以及脈寬調(diào)制策略和其實現(xiàn)技術(shù)進行了系統(tǒng)研究。
　　 間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制以其實現(xiàn)簡單，控制性能優(yōu)良而成為高性能感應(yīng)電機驅(qū)動系統(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)電機運行速度范圍寬，最高轉(zhuǎn)速可以達到基速的4-6倍，本文對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)電機模型，結(jié)合坐標變換理論，推導出包含鐵耗補償?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參數(shù)，本文在既有參數(shù)離線自動辨識方法的基礎(chǔ)上，考慮工程實現(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，進一步完善了參數(shù)離線自動辨識的方法，提高了辨識精度并簡化了算法。
　　 感應(yīng)電機高速運行需要弱磁，弱磁策略的好壞決定了電機高速帶載能力的強弱

4、。本文依據(jù)感應(yīng)電機正常運行所必須遵從的電壓約束、電流約束和最大轉(zhuǎn)差率限制的三個條件，推導得到輸出轉(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。
　　 磁場定向不準會導致系統(tǒng)動態(tài)性能變差，弱磁策略優(yōu)化效果減弱，嚴重時甚至使電流失控。感應(yīng)電機運行時轉(zhuǎn)子電阻會隨著溫度變化而變化，電感在弱磁過程中也會發(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)a(chǎn)生偏差。本文對感應(yīng)電機高速運行時的這些變化進行分析，并提出一系列工程補償?shù)姆椒?，以保證高速時磁場定向的準確性和弱磁優(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，增強感應(yīng)電機弱磁區(qū)帶載能力。本文針對間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)電壓給定的特點，提出新的過調(diào)制方法，實現(xiàn)從連續(xù)調(diào)制到過調(diào)制、乃至六拍階梯波（Six-step）調(diào)制運行的平滑過渡，使逆變器輸出電壓達到最大，進一步拓

6、寬感應(yīng)電機恒功率運行范圍。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)的雙隨機脈寬調(diào)制策略。
　　 構(gòu)建DSP＋CPLD的控制硬件平臺，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)計和開發(fā)，結(jié)合智能功率模塊（IPM）設(shè)計完成功率硬件，并制作樣機。利用高速帶載測試平臺，對樣機進行了全面的測試，試驗結(jié)果表明本文所提出的改進和優(yōu)化策略是可行的，并取得了滿意的效果。