机床主轴交流机电变频调速--(正文、参考文献、致谢)

1、1 前言1.1 交流变频调速技术的发展与研究现状 随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。 由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。交流电机变频调速经历近20年的发展及应用，已逐步被人们接受并成为当代电机调速的主流。由于变频器体积小、重量轻、精度高、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等优点，它优于以往的任何调速方式，如变极调速、调压调速、滑差调速、串级调速、整流子电机调速、液力耦合调速等，因而深受钢铁、有色、石油、石化、化工、化纤、纺织、机械、电力、建材、煤炭、医药、造纸、卷烟、城市供水及污水处理等行业的欢迎。由于交流笼型电机没有直流电机的滑环和炭刷，极大的提

2、高了系统可靠性和扩大了应用领域，它逐渐地替代直流调速，如上海宝钢一期工程和二期工程，几乎全是直流调速，而三期工程全为交流变频调速。这是对交流变频调速认识的升华。如果说我国变频器的研究和生产是从天传所(电压型)、西整所(电流型)、大连电机厂(最早引进东芝技术)开始，那么，日本三垦(1984年)、日本富士(1988年)变频器的进入直接刺激了我国变频器行业的发展。20年来，不但有日本三垦、富士、美国罗宾康、德国西门子、欧洲ABB等外国公司进入中国市场并在中国建厂。还有象普传、佳灵、利德华福、英威腾、微能等70多家国产变频器厂家进入市场。已经形成了令人瞩目的变频器行业，政府规划、节能论坛、各种展览会都少不了变频厂家的参与。今日的变频器，已由压频控制发展到动态矢量控制和直接转矩控制等高性能控制，优点很多，如:转矩大。0频率时，转矩输出100%，0.5Hz时，转矩输出200%，对吊车、港机、搅拌机、转炉倾动、高炉卷扬等重负载设备意义重大;高速CPU不但能测定负载的最佳控制电压和电流矢量，还能快速响应急变负载和及时检知瞬时功率，实现最短时间内平稳地加减速;控制精度可达0.02%，并具有010V，42

3、0mA，RS485接口，可以和计算机，现场总线通讯。另外还具备软启动功能，瞬时停电自动再启动功能，跳跃共振频率点功能，在线自整定功能，多种保护功能等。 (1) 在我国已形成了变频器理论和生产的专家队伍。 (2) 设计院、所已把变频调速作为新厂建厂和老厂设备改造的必备技术。 (3) 有上百家变频器的生产厂和几百家从事变频器二次开发的公司，他们提供变频器的基础产品。 (4) 有一个博大的变频器市场和技术熟练的应用变频器电气工程师。 让我们回顾一下近20多年调速领域变化，这是惊人的。1995年11月14日中国石化报第一版“茂名石化公司炼油节能跃居同行业前面”文章称“仅通过变频调速技术一年就节电2000万kWh”。许多自来水公司的水泵、化工和化肥行业的化工泵、往复泵、有色金属等行业的泥浆泵等采用变频调速均产生非常好的效果。 1.2 变频调速技术的优点和发展方向1调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。 2调速范围较大，精度高。 3起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。 4变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。 5易于实现过程自动化。 6必须有专用的变频电源，目前

4、造价较高。 7在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。在交流调速的研究与制造过程中，硬件的设计与组装占了相当大的比重。电机制造以及调速装置的制造需要大批的技术熟练工人，对人员的素质有一定要求。而国外相关产业的人工成本相对较高，在近十年内，交流调速的制造业有可能向发展中国家转移。对中国来说，这也是一个机遇，如果我们抓住这个机会，再利用本身的市场有利条件，有可能在我国形成交流调速系统的制造业中心，使我国工业上一个新的台阶。需要注意的是发达国家在高技术领域是不会轻易放弃的，他们非常注意核心技术及软件的保护和保密，为此，必须加大该领域的科研与开发的力度。1.3 数控机床主轴控制系统1.3.1主轴控制系统的结构及分类目前，数控机床的主传动电机已经基本不再使用普通交流异步电机和传统的直流调速电机，他们与逐步被新兴的交流变频调速伺服电机和直流伺服调速电机代替。数控机床的主运动要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切屑用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。为了适应各种工件和各种工件材料的要求，多恭喜自动换刀的数控机床和加工中心主运动的调速范围应进一步扩大。数控机床的变速时按照

5、控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流变速主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节和提高了变速控制的可靠性，因此在数控机床的主传动系统中更能显示出它的优越性。为了确保低速时的扭矩，有的数控机床在交流和直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速。由于主运动采用了无级变速，在大型数控车床上测斜端面时就可实现恒速切屑控制，以便进一步提高生产效率和表面质量。数控机床主传动主要有三种配置方式。(1)由调速电机直接驱动的主传动这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。(2)带有变速齿轮的主传动这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床业采用此种传动方式，以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮实现。(3)通过皮带传动的主传动这主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动是引起的振动与噪声。但它只能使用与要求的扭矩特性的主轴。

6、1.3.2主轴控制系统的发展方向作为数控机床的重要功能部件，伺服驱动装置的特性一直是影响数控机床加工性能的重要指标。围绕伺服驱动装置的动态特性与静态特性的提高，近年来国内外发展了多种伺服驱动技术。可以预见，随着高速切削、超精密加工、网络制造等先进技术的发展，具有网络接口的全数字交流伺服驱动系统、直线伺服系统及高速电主轴等成为机床行业的关注热点，并成为伺服驱动系统的发展方向。 从2005年德国汉诺威展览会，可以看到伺服驱动装置的两个发展趋势：(1)全数字化全数字化是未来伺服驱动技术发展的必然趋势。全数字化不仅包括伺服驱动内部控制的数字化，伺服驱动到数控系统接口的数字化，而且还应该包括测量单元数字化。因此伺服驱动单元内部三环的全数字化、现场总线连接接口、编码器到伺服驱动的数字化连接接口，是全数字化的重要标志。随着微电子制造工艺的日益完善，采用新型高速微处理器，特别是数字信号处理器DSP技术，使运算速度呈几何级数上升。伺服驱动内部的三环控制(位置环/速度环/电流环)数字化是保证伺服驱动高响应、高性能和高可靠性的重要前提。伺服驱动所有的控制运算，都可由其内部的DSP完成，达到了伺服环路高速实时

7、控制的要求。一些产品还将电机控制的外围电路与DSP内核集成于一体，一些新的控制算法速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。 伺服驱动传统的模拟量控制接口，容易受到外部信号干扰，传输距离短。我国目前伺服驱动装置上大量采用的脉冲式控制接口，也不是真正意义上的数字接口。这种接口受脉冲频率的限制，不能满足高速、高精控制的要求。而采用现场总线的数字化控制接口，是伺服驱动装置实现高速、高精控制的必要条件。 全数字化已经延伸到测量单元接口的数字化。德国HEIDENHAIN将各种类型的编码器，如绝对、增量式和正余弦编码器的细分功能，都统一到EnDae2.2编码器连接协议中。细分过程在编码器内部完成，再通过数字接口和伺服驱动连接起来，这才是真正的全数字化。(2)高性能表现为高精度、高动态响应、高刚性、高过载能力、高可靠性、高电磁兼容性、高电网适应能力、高性价比。在2005年汉诺威展览会上，日本发那科推出了HRV4伺服控制控制技术。伺服HRV4继承并进一步发展了HRV3的优点，具有如下特点：在任何时刻，均采用纳米层次的位置指令，使用1600万/转的i 高分辨率的脉冲编码器，可以实现纳米精度的伺

8、服控制；HRV4超高速伺服控制处理器，所控制的电机转速可以达到60000r/min；HRV4控制算法，可使得伺服电机的最大控制电流减少50，并减少电机发热17，因此，伺服驱动装置可以获得更高的刚性和过载能力。2 系统主电路设计 2.1 主电路工作原理本文所研制逆变器基于42V 的汽车电气系统， 逆变器交流侧的输出电流额定值为100Arms，对于这种低压大电流的应用场合，MOSFET 是非常合适的选择。MOSFET 相对于IGBT 而言，具有更小的导通电阻，因而导通损耗也就更小，能得到更大的变换器效率，这对于对体积和效率要求很高的汽车用ISG 逆变器而言，是个很大的优点。并且，MOSFET 的导通电阻具有正的温度系数，这使得MOSFET非常适于并联，不但可以得到更大的电流等级，而且还可以得到更小的导通电阻，进一步减小导通损耗。所以，本文选择MOSFET 做为主电路的功率开关器件。由功率半导体器件开关引起的电压尖峰典型值在75V 到100V 之间，所以功率器件的阻断电压Vdss 必须高于这个区间，并且考虑到下一阶段关于Z 源逆变器的研究，直流侧的电压将有一定的提升，所以，取MOSFET 的

9、Vdss 为150V。交流侧的输出电流额定值为100Arms，考虑到ISG 起动时需要的大电流（本设计中为200A ） 及MOSFET 安全工作区和结温对MOSFET 过流能力的影响，取MOSFET 的电流等级为300A。为了充分利用MOSFET 的导通电阻具有正温度系数适于并联的特点，考虑采用MOSFET 并联，这样可以减小导通电阻，减少导通损耗，提高变换器效率。不仅如此，在这一应用中，采用单一的大尺寸MOSFET 成本较高，采用小尺寸MOSFET 并联可以降低成本，对价格很敏感的汽车工业而言是非常重要的。进一步考虑到逆变器系统总体结构设计的需要和将来功率的扩展，本文用6 个小功率的MOSFET 并联做为三相逆变桥的半个桥臂，这样，每个MOSFET 的电流等级选为50A 即可。经过对国内外主要半导体器件供应商产品的综合分析比较， 选定RENESAS 公司的FS50MS-3。2.2 直流侧电容选型主电容除了稳压外，还在蓄电池和逆变器之间起去藕的作用，为电机感性负载提供必要的无功功率。在ISG 逆变器这种电流较大、环境温度较高而体积又要求小的应用中，直流电容需要有较小的等效串联电阻（ESR）和电感（ESL），高纹波电流能力以及紧凑的体积。因直流电容起储能的作用，所以电容的容量必须比较大，按40F /A 进行初选。直流侧电流为：所以主电容容量在5300F 左右。为了减小电容的ESR 和ESL，除了选用低ESR 和ESL 的电容外，考虑用小容量电容并联来得到大容量的电容，并且小容量的电容体积小，对于空间的利用非常有利，可使结构更加紧凑。本文在每一对上下桥臂MOSFET 的两端都并联一个小容量的电解电容，这样的话，每相桥臂并联6 个电解电容，三相共18 个电解电容。5300F电容分为18 个小容量的电容，则每个电容的容量约为295F，考虑到实际电容的规格并留一定的裕量，选取470F 的电解电容，则18 个电容的容量为8460F。电压等级选与150VMOSFET 相当等级的160V。2.3 缓冲电

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