很遺憾,因您的瀏覽器版本過低導致無法獲得最佳瀏覽體驗,推薦下載安裝穀歌瀏覽器!

銑鑽床高速電主軸調速係統設計

2017-02-27  來自: 滄州利來娛樂AG旗艦廳製造有限公司 瀏覽次數:185

銑鑽床高速電主軸調速係統設計

      摘要:根據小型銑鑽床的加工要求和特點,在分析了高速電主軸負載特性的基礎上,確定了使用V/F控製方法結合空間矢量調製技術來設計調速係統。並用MATLAB中的Simulink工具箱對設計的控製係統進行仿真研究,證明了係統具有較好的控製效果。最後基於DSP芯片完成了控製係統的硬件電路設計及軟件程序的編寫,並對係統進行了實驗研究,結果證明控製效果良好。


      關鍵詞:高速電主軸;空間矢量調製;調速係統;DSP;V/F控製


      0.引言


      主軸電機調速驅動係統作為高速銑鑽床的核心部件之一,其輸出性能對高速機床的整體水平是非常關鍵的。轉速超過10 000 r/min的電主軸通常稱為高速電主軸,它具有高速、無級傳動和零傳動鏈的特點。與普通機床主軸相比,它在功率傳遞性能和動態平衡能力方麵具有很大的優勢,應用高速電主軸的高速機床控製越來越受到人們的關注。目前較為常用的機床主軸控製方法有恒壓頻比控製、矢量控製和直接轉矩控製三種,國內外學者針對後兩種控製方法進行了很多研究,使電主軸進行負載轉矩變化較為頻繁的加工時可以獲得較好的控製效果。但是,為了實現上述精確控製,需要在調速係統中添加磁鏈觀測器對主軸轉子位置進行觀測,這樣使得算法時間較長,不適用於高速電主軸控製。而v/F控製對恒轉矩負載具有較好的控製效果,其控製方法簡單,占用係統時間少,更適合於高速控製。


      空間矢量脈寬調製(以下簡稱SVPWM)技術是i電機控製領域的一項關鍵技術,目前在電氣傳動的許多方麵得到了廣泛的應用。其逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側電壓,比傳統的脈寬調製逆變器輸出電壓高15%,且能顯著減少逆變器輸出電流的諧波成分及電機的諧波損耗,使電機的轉矩脈動減小M 3。


      本文中的高速銑鑽床主要用於對印製電路板進行切削及鑽孔等加工,在加工過程中負載轉矩基本保持恒定,可以認為高速銑鑽床加工時的負載為恒轉矩負載。而且,由於電主軸轉速較高,要求控製方法的實現速度快,所以選擇了恒壓頻比控製來完成對主軸轉速及輸出轉矩的控製。同時為了更好地保證調速係統輸出轉矩恒定,采用電壓空間矢量調製方法進行電壓調製,完成對高速電主軸調速係統的控製。本文通過MATLAB仿真驗證了調速係統的有效性,最後基於DSP芯片完成了對調速係統的硬件設計。


      1.調速係統控製原理


      高速電主軸調速係統使用V/F控製結合SVP—WM的方法進行設計。根據係統的設定轉速就可以得到完成主軸調速所需定子電壓矢量的幅值以及定子磁場的旋轉速度,進而得到電壓矢量的相位和作用的時間。根據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的時間,從而產生旋轉磁場完成對調速係統的控製。調速係統控製的具體原理如圖1所示。



圖1 調速係統控製原理圖


      由圖l可知,完成電主軸的變頻調速控製,首先需要根據調速係統的設定轉速來確定電主軸定子電壓幅值以,為了保證較好的控製效果,需要對定子電壓矢量進行補償p。101。定子電壓矢量的幅值求取如下:



      通過式(1)和式(2)可以得到電壓所需調製出的電壓矢量的幅值。因此,本文對需要進行複雜坐標變換和矢量合成的傳統SVPWM進行了適當優化,即采用固定位置點的開環電壓空間矢量來合成旋轉磁場,在程序執行過程中直接采用查表的方式進行電壓矢量的調製,這大大縮短了運算時間,更加適用於高速電主軸控製。本文使用如圖2所示的2個空間矢量來完成電壓矢量的調製,所合成的旋轉磁場為一個12邊形,接近圓形,可以滿足電壓矢量的調製要求。



圖2 空間矢量位置圖




      通過式(3),隻用簡單的四則運算就可以很方便地確定電壓矢量的合成方法,再根據6個基本的電壓矢量對應的逆變器開關狀態,就可以得到如表1所示的所有電壓矢量對應的三路SVPWM信號的占空比。


表1 空間矢量對應三路SVPWM占空比



      由表1可以看出,簡化的SVPWM調製僅根據所需電壓矢量的幅值就可以得到脈寬調製信號的占空比,省去了傳統SVPWM調製中應用的坐標變換以及矢量合成,大大加快了調製速度,使其可以滿足脈寬調製信號快速調製的要求。


      2.高速電主軸調速係統仿真研究


      為了驗證上文中確立的以V/F控製結合SVP—WM調製的方法確定的調速係統的控製效果,利用MATLAB對調速係統進行了仿真研究。本文在MATLAB/Simulink中搭建了基於V/F控製和SVPWM調製技術的高速電主軸控製係統模型,並對控製係統的控製效果進行了仿真驗證。圖3給出了在Simulink中搭建的控製係統仿真模型。



圖3控製係統仿真模型


      由圖3可知,係統主要由速度給定、變頻起動模;塊、v/F控製模塊、SVPWM模塊以及功率驅動模塊!組成。控製係統首先將設定轉速轉變為定子磁場頻l率,然後利用V/F控製得到電壓矢量的幅值及位,再利用SVPWM調製模塊得到所需的脈寬調製信號,從而控製逆變器工作,得到所需的電壓矢量完成對電主軸的調速控製。控製係統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,額定轉速60 000 r/min。由於電主軸起動過程中一直處於空載狀態,起動完成後才開始進行機械加工。在電主軸起動至20 000 r/min後,以0.006 N·In來模擬真實的負載情況,電主軸帶載運行的定子電流、轉速及轉矩的仿真波形如圖4所示.



圖4 20 000 r/min時電主軸帶載運行仿真波形


      圖4中,高速電主軸經過0.7 s起動至20 000r/min後,在1 s時將負載變為0.006 N·m。從圖4中可以觀察到,電主軸完成起動後突加負載時,電主軸會有一個短暫的調節過程,主軸轉速會有所降低,


      同時轉矩迅速上升,大約經過0.1 s後,電主軸就能很快地完成調節。帶載運行後,電主軸轉矩和轉速仍然保持恒定,由於轉速開環控製轉速會有小幅的下降。


      3.控製係統設計及實驗驗證


      本文基於TI公司的DSP2407芯片設計了高速電主軸調速係統的硬件電路。電主軸變頻調速硬件係統如圖5所示。



圖5變頻凋速硬件係統


      在對硬件電路進行設計後,進而在實驗室條件下搭建了係統實驗平台,對調速係統的功能進行了實際的驗證。實驗平台如圖6所示。



      圖6中,分別給出了控製係統的硬件電路板、高速電主軸、直流供電電源以及示波器。為了詳細見0試調速係統的控製性能,分別對電主軸進行了帶載運行和快速製動的實驗。


      3.1帶載運行實驗


      實際加工時,電主軸為空載起動,帶載運行的工作模式。圖7給出了電主軸帶0.01 N·m負載運行時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負載發生突變,電主軸定子電流在5.4 s到達平穩狀態,說明電主軸在負載突變時,經過短暫的調整就可以很快調節到當前負載所對應的運行狀態,從而提供恒轉矩輸出。


      3.2快速製動實驗


      由於電主軸在加工過程中需要其進行頻繁的起、製動操作,所以為了保證加工效率,要求電機的起、製動時間盡量短。60 000 r/min時電主軸製動時u相電流波形如圖8所示。



圖8製動時定子電流波形


      電主軸運行在60 000 r/min時,在4.6 s時開始製動,經過約1.2 s的時間完成主軸製動,且沒有出現過流的現象。所以本文設計的調速係統可以實現電主軸的快速起、製動操作。

 通過以上的仿真和實驗分析可知,本文基於DSP2407設計的高速電主軸調速係統,具有快速起動、製動,輸出轉矩恒定,靜態性能好的優點,這保證了電主軸應用於銑鑽床時的加工要求。

產品展示

相關資訊 更多>>

AG8只为非同凡响 AG亚游国际厅 正规真人游戏 AG亚洲游只为非凡 AG9 AG2006 AG放水征兆AG漏洞