高速电主轴直接转矩控制仿真与分析毕业论文

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录

目 录

摘要 ................................................................ Ⅰ ABSTRACT ......................................................... Ⅱ 1 绪论 ............................................................... 1

1.1 国内高速电主轴的现状和发展趋势 ............................................................................... 1

1.1.1国内外高速电主轴的现状 ...................................................................................... 1 1.1.2 国内外高速电主轴的差距 ..................................................................................... 2 1.2直接转矩控制技术的发展和现状 .................................................................................... 4

1.2.1直接转矩控制技术的现状及发展趋势 .................................................................. 4 1.2.2直接转矩控制技术的发展趋势 .............................................................................. 4 1.3论文主要内容 .................................................................................................................... 5 1.4本章小结............................................................................................................................. 5

2 直接转矩控制的基本原理 ........................................ 6

2.1引言 .................................................................................................................................... 6 2.2异步电动机的数学模型 .................................................................................................... 6

2.2.1异步电动机理想数学模型 ...................................................................................... 6 2.2.2异步电动机空间矢量等效电路 .............................................................................. 7 2.3逆变器的开头状态及电压空间矢量 ................................................................................ 8

2.3.1逆变器的开关状态 ................................................................................................ 8 2.3.2电压空间矢量 ...................................................................................................... 10 2.4异步电动机的磁链模型 .................................................................................................. 10 2.5空间电压矢量对定子磁链及转矩的作用 ...................................................................... 12

2.5.1空间电压矢量对定子磁链的作用 ...................................................................... 12 2.5.2空间电压矢量对电磁转矩的作用 ...................................................................... 13 2.6直接转矩控制系统的基本结构 ...................................................................................... 14 2.7本章小节........................................................................................................................... 15

3 直接转矩控制系统MATLAB/SIMULINK仿真 .................... 16

3.1 引言 ................................................................................................................................. 16 3.2MATLAB软件介绍 .............................................................................................................. 16

3.2.1MATLAB简介 .......................................................................................................... 16 3.2.2动态仿真工具Simulink ..................................................................................... 16 3.3建立直接转矩控制仿真模型 .......................................................................................... 17

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3.4仿真的主要对数设置 ...................................................................................................... 21 3.5本章小结........................................................................................................................... 21

4 仿真及结果分析 ................................................. 22

4.1仿真结果........................................................................................................................... 22 4.2改变转速........................................................................................................................... 24 4.3改变负载........................................................................................................................... 26 4.4本章小结........................................................................................................................... 27

总结 ................................................................. 29 致谢 ................................................................. 30 参考文献 ............................................................ 31

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重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1绪论

1 绪论

1.1 国内高速电主轴的现状和发展趋势

1.1.1国内外高速电主轴的现状

我国电主轴研发生产起源于磨加工，特别是轴承的内表面磨加工，这是根据行业的生产需要而发展起来的的。早在20世纪50年代末，我国的轴承行业就开始生产电主轴，目前国内电主轴的生产主要以洛阳轴研科技公司最为著名，它生产的内孔磨削用电主轴已有50年的历史。

近年来，除了洛阳轴研科技股份有限公司（洛阳轴研所改制而成）、安阳莱必泰机械有限公司、无锡开源机床集团有限公司这三家传统的生产电主轴的企业以外，又涌现出一大批新兴企业，将电主轴行业推向新高度。一时间，生产电主轴的企业多达70多家，且大多数为民营企业，北京机床研究所在这个时候也开发出用日本 FANUC电机组装的20000转/分、24000转/分电主轴。与此同时，借助于德国REXROTH的电机，不少单位纷纷组装出了转速高于10000转/分的电主轴。北京第一机床厂和日本大隈通过中外企业合作的方式也研发出了转速高于10000转/分的电主轴。在行业规模不断壮大的情况下，汉川机床厂，济宁博特精密丝杠制造有限公司、大连机床厂等数家企业也相继进入了研发生产电主轴的行业。目前，随着常规磨用电主轴、雕铣机床用电主轴在国内技术不断成熟，产量来断提高，国内相关产品几乎占据了全部的市场需求。由于一般的电主轴技术门槛相对较低，国内企业技术实力雄厚，在电主轴性价比方面占有绝对优势，因此国外产品一般很少用到。由于大功率电主轴技术难度大，能进行生产的企业不多，目前尚处于样机阶段。在电主轴的数控机床的需求增加的趋势下，数控机床专用电主轴将替代磨用电主轴成占领电主轴市场。

与国内不同的是，国外电主轴起源于内圆磨床，早在上世纪末，随着机械主轴发展过慢，越来越不能满足高性能数控机床、高速切削的发展和生产需要，电主轴技术凭借近年来取得的重大成就和良好的技术支持使其广泛应用于加工中心、数控机床等高端数控机床中。为了能满足机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要，数控机床用电主轴的性能必须不断提高，这对高水平企业来说是发展的动力。目前国外著名的机床用电主轴制造商有：德国GMN和Cytec、西门子、瑞士IBAG和Step—Tec、Fishcher、美国Setco、意大利Omlet和Gamfior、日本大隈等，其中GMN、IBAG、Omlet、Setco、Gammfier等企业代表了世界电主轴行业的最高水平。

这些国外公司电主轴产品与国内的相比，有以下几明显个优势：①转速高、

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功率大。②轴承速度高、刚度高。不同轴承的运用场合不同，其中陶瓷轴承和液体动静压轴承主要应用在高速精密主轴上，空气润滑轴承和磁悬浮轴承主要用于特殊场合。③加工与装配精度高，工艺高超。④相关控制系统性能好。这些控制系统包括转子平衡系统、定转子冷却温度精密控制系统、轴承油气润滑与精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。国外诸多企业在这个基础上，研发出了多种高技术水平的高速机床。如世界著名的精密机床制造商之一的瑞士米克朗公司，它生产的机床配备所有的电主轴均使用恒温冷却水套来对主轴电机和轴承进行冷却，并通过高压油雾对复合陶瓷轴承进行润滑。这种转矩最高可达60000r/min的高速电主轴，采用矢量控制技术，在低转速时可输出大扭矩因此可以满足不同的切削要求。

由于高速切削[1]和实际应用的需要，数控机床电主轴在轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具[2]及其接口技术等相关技术快速发展趋势下，高速化成为主流。在这个技术潮流下，瑞士IBAG的钻、铣用电主轴HF42的转速最高可达140000r/min，英国WestWind公司的PCB钻孔机电主轴D1733更是达到了250000r/min；瑞士FISCHER的加工中心志用电主轴最高转速达到42000r/min，意大利CAMFIOR达到了75000r/min。轴承及润滑技术的不断发展，使电主轴的系统刚度越来越大，这大大提高了高速电主轴的性能，使其更好的推动数控机床向高速、高效率和高精度的方向发展。

大多数控机床在实际使用时需要同时满足在低速时粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此，要成为机床电主轴，就必须低速大转矩、高速大功率的性能。目前，世界高端的加工中心用电主轴无论是在高速段还是低速段，达到了一定的高度，意大利CAMFIOR、瑞士Step—Tec、德国GMN等制造商的研发的产品，在低速段输出转矩能轻松达到200Nm以上，德国CYTEC生产的数控铣床和车床用电主轴，最大扭矩更是达到了630N.m的高度；在高速段大功率方面， CYTEC电主轴的最大输出功率为50kW；瑞士Step—Tec用于制造航空器和加工模具的电主轴的最大功率更是达到65kW(S1)；此外，还有报道称目前还处在研发阶段的电主轴功率可达到80kW。

1.1.2 国内外高速电主轴的差距

国内电主企业国外相比在产品研发的能力、投入和技术的创新能力上相对落后，唯一具有的是相对成本优势，这并不乐观。国外数控机床主轴公司分工很细很明确，研发主要包括电主轴的总体设计、技术研发以及零部件装配和测试工作，而像主轴轴承、驱动电机、主轴松拉刀机构、动力油缸或气缸、主轴轴承润滑油品等关键零部件统一从别的企业采购，这样使自身的研究方向更细致，加快了研

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