高性能永磁同步电机主轴伺服系统设计研究.docx
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高性能永磁同步电机主轴伺服系统设计研究王成元 夏加宽 周美文 于冬梅 孙荣斌摘要讨论了永磁同步电机主轴伺服系统的工作特性，并对不同形 式转子结构的弱磁能力、抗不可逆去磁能力等问题进行了深入分析和研 究分析了电机关键参数Xd、X祈II E对系统运行性能的影响建立了电 机数学模型，提岀了相应的最优控制策略同时，阐述了永磁同步主轴 电机弱磁转子结构选择和电磁方案设计原则实际样机的实验结果验证 了所提出的设计原则和方法的正确性和可行性关键词主轴永磁同步电动机伺服设计控制中国图书资料分类法分类号TM33High Performance Spindle Permanent Magnet SynchronousMotor DriveWang Chengyuan Xia Jiakuan Zhou Mei wen Yu Dongmei SunRongbin(Shenyang Polytechnic university, Shenyang, China)Abstract: According to characterislices of spindle permanenl magnet synchronous motor (PMSM) and its control system, this thesis describes the special operting requirements of the direct-drived servo system. At same time, the flex-weakening, anti-nonrecovering demagnetization, technological performances of several rotor structures are studied comprehensive1y. Futhermor the relationship of Xd, Xq and EO with constant-torque and con La nt - power operation are em alyzed. A mathematical modle of PMSM is built and an optimum control strategy is put forward. In addition this paper presents the adoption of flux-weakening rotor structure, some eletromagnetic design principle and concrete method of the direct-drived spindle system. The prototype experime ntal results verify the correc tn ess and feasibility of the proposed design method. The conclusions are of universal guiding significance for the direct-drived spindle PMSM and the control system.Key words: spindle permanent magnet synchronous motor servo design control数控技术和数控装备是制造工业现代化的重耍基础，是生产精良产 品的前提。
数控技术水平的高低、数控机床的品质与数量不仅是衡量一 个国家制造业现代化水平的重要标志，而且还深刻地影响到一个国家的 经济发展和综合国力因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来 发展自己的数控技术及其产业作为机床的关键部件，主轴传动系统直接影响机床的加工精度，决 定其效率和生产率因此研究和开发高性能的主轴传动系统，对提高机 床的水平有着非常重耍的意义纵观主轴传动系统发展态势可以发现，当前数控机床主轴传动呈现 无级调速直接传动取代齿轮箱变速间接传动、交流传动取代直流传动、 主轴传动向超高速和超低速两极发展、主轴出力向低速满出力、高速大 功率的方向发展的趋势[1'2]01主轴永磁同步电机的最优控制策略数控机床和现代化的加工中心耍求主轴传动系统能以多种方式高性 能运行⑶对本文所设计的主轴传动系统来说，耍求主轴传动系统能够 在1500 r/min以下输出恒定的转矩,而在1500 r/min〜7000 r/minZ 间则输出恒定的功率从提高主轴电机的效率和降低所匹配的逆变器的容量，实现主轴传 动系统所要求的调速范I韦I和功率输出能力出发，在恒转矩运行速度区域, 电机定子电流可采取最大转矩/电流控制策略，而在恒功率运行时，则需 采取弱磁控制策略。
1.1转矩最优控制策略转矩最优控制也称最大转矩/电流控制，即单位电流输出最大转矩的 控制永磁同步电机在dq坐标系中的稳态电压方程为(1)定子电压空间矢量g的幅值为⑵当电机在高速运行时，忽略电机电阻压降，则\ut\ = J(3丄，十 3心，+ 3上定子电压空间矢量g的幅值要受到逆变器电压极限山吨的制约，即 i Us I Usmax结合式(3)和式(4)得(S + 內)'+s (詈尸式(5)在dq平面内构成了电压极限椭圆，见图1同样，考虑到逆 变器的容量，定子电流矢量也要受到如下限制I is 丨 Wismax对丁定子电流矢量的两个分量，同样有(7) 式(7)在dq平面内构成了电流极限圆，见图1显然，定子电流矢量既耍满足电压极限方程，乂耍满足电流极限方程所以定子电流矢量讥一定耍落在电压极限椭圆和电流极限圆内a)电圧債限as(b)图1定子电流磁量控制轨迹永磁同步电机稳态运行时的转矩方程为=P •［如■ +( J —厶"丿」在式(8)中，每给定一个T值，显然在dq平面上可画出一条相应的 等h曲线，每条等A曲线上有一个距原点距离最近的点，该点与最小定 子电流相对应将每条等Te曲线上这样的点连起来便得到最人转矩/电 流轨迹，见图la。
当系统根据转矩最优控制轨迹进行控制时，由于有效地运用了磁阻 转矩，特别是当磁场定向角为135时，磁阻转矩与电流平方成正比， 故可以得到最大的转矩/电流的比值在给定的转矩下，使定子电流最小, 将电动机铜耗和逆变器及整流器的损耗降至最小这实际上就是提高了 逆变器和整流器的额定容量，从而使整个系统成本下降1.2定子电流最优控制电主轴永磁同步电机在弱磁运行区，电机通常做恒功率输出定子 电流最优控制就是指在弱磁运行方式下，为满足最大功率输出的耍求, 对定子电流矢量进行最优控制由式(8)得P. = QP•[如•十（£/ -乙・"丿』(9) 结合电压极限椭闘方程式(5),可以得到如图3所示的最大功率输出定 子电流矢量控制轨迹它与电流极限闘交丁点为在整个范围内获得 最大输出功率，对定子电流矢量应做如下控制：在区间I (gWsJ：电 流矢量固定在A点，id和爲是一，t亘定值在区间11(3]<3「£32)：按 电流极限圆与电压极限椭圆的交点来确定id和i“，电流矢量随速度的增 大沿着电流极限圆由点移到B点在区间111(3「上32)：电流矢量沿着最 大功率输出轨迹由13点移向C点对T eo/Xd >ismax （图lb）的情况,最大功率输出弱磁控制无法实现。
2永磁同步电机弱磁转子结构选择在电主轴永磁同步电机的设计过程中，如何选择电机的转子结构， 使Z既适合于“弱磁”，乂能尽量提高低速运行性能，这是电主轴永磁 同步电机设计的关键问题Z-o2.1 “理想弱磁”对电机结构参数的要求设永磁体励磁磁场在相绕组中产生的正弦空载电动势的有效值为 Eo, In为电机额定相电流则理想弱磁条件的表达式为(10)从式（10）可以看出，要满足“理想弱磁”条件，电主轴永磁同步 电机在设计时，耍求相对较大电负荷而减少磁负荷同时在电机设计时, 应选择合适的转子结构，尽量增大直轴电枢反应电抗，以便尽量能满足 理想弱磁条件扩大电机弱磁运行区域2.2永磁同步电机弱磁转子结构的选择永磁同步电机的转子结构形状多种多样，就其整体而言，可分为面 装式、磁阻式和混合式三大类每一类乂有不同的具体结构，每一种具 体结构都有各自的特点和用途2.2.1面装式转子结构该类结构电机的主耍特点是Xd与X近似相等，凸极系数g二Xq/Xd~l, 见图2竝由于交直轴磁路的等效气隙都很大，所以，电枢反应很小，该 类结构用作永磁同步电主轴电机时，具有较好的低速性能单位电流的 输出转矩大，逆变器的利用率高，但该类电机儿乎不具备弱磁能力。
冃 前商业性的面装式永磁同步电机的归算永磁磁链必为0. 83〜0. 97,罚勺 磁调速范围通常都低T2 ： 1 c，］ o2.2.2磁阻式转子结构该类转子结构不加永磁材料励磁，亦无电励磁，依靠凸极效应所产 生的磁阻转矩工作磁阻电机不存在弱磁问题，可以获得很高的转速， 调速范围较宽，但具低速转矩品质差，高速时输出功率随转速的升高而 急剧下降⑸2. 2.3混合式转子结构混合式转子结构的具体形式在设计上极为灵活，多种多样，图2给 出了儿种具有代表性的混合式转子结构的具体形式除此Z外还有一种 由永磁式和磁阻式两段转子轴向复合而成的混合式转子结构从图2中 可以看出，插入式和内装式转子（图2b）结构的具体形式虽然不同，但 它们都有一个共同的特征:XdVX"凸极系数g>l这类结构的电机在 工作时，其转矩是由磁阻转矩和励磁转矩共同作用而产生的因此，这 类转子结构实质上是磁阻式转子和而装式永磁转子的一种混合结构形 式，故称Z为混合式转子结构而前面所分析的面装式和磁阻式转子结 构便是混合式转子结构的两种极限形式
通过对转子结构的合理设计，运用本文所提出的最优 控制策略，便可使电机实现较为理想的调速特性输出3永磁同步主轴电机的电磁设计 3.1永磁同步主轴电机电磁方案设计原则永磁电机的“弱磁难”问题一直在困扰着人们，然而，一味地追求弱磁性能而忽略其它性能指标的设计思想是片面的、不合理的正 确的设计思想应该是，根据所设计产品的具体指标耍求，特别是额定转 矩、额定功率、基速、最高转速、最低转速等指标，对电机进行优化设 计永磁同步主轴电机的电磁设计应遵循以下主耍原则：①电机具有足 够的弱磁能力，能够达到所耍求的最高转速并在恒功率运行区间输出额 定功率；②额定转速下电机可实现额定转矩的恒转矩输出，耍求电机具 有足够的空载永磁磁链，提高电机的转矩密度；③电机低速运转时转速 平稳，转矩脉动小，确保低速运行性能及定位精度；④转子具有足够的 机械强度，能保证在最高转速下安全运行；⑤选用的结构应具有合适的 漏磁系数，以避免电机中永磁体的不可逆退磁，同时需兼顾永磁体磁能 的利用率3.2关键参数设计在永磁同步主轴伺服系统中，当控制器的极限输出电压氏耐和电流Gax确定后，电机对系统运行性能影响最为显著的参数有EXd、人、g 和极弧系数a。
3. 2.1反电势E和凸极系数g的设计在永磁同步电机的设计中，E和g是两个极为重要的参数，直接影 响着整个系统的弱磁扩速性能和恒转矩能力应根据系统基速m和弱磁 调速范閘rf对二者进行综合设计。
