重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1绪论
发速度。细致的分工与不断的投入，使电主轴这个产业具有组织性和互补性，机床主轴生产商与各附件生产商之间形成了良性合作的循环，并不提高和展本专业的关键技术，一环带动一环，从而带动了国外电主轴行业的整体技术水平不断提高。
然而，国内电主轴行业由于竞争意识太强，技术资源比较分散。大多数企业目光短浅，基本上是在模仿国内外的电主轴产品进行生产，这种短期效益带来的后果是企业技术实力落后，严重缺乏创新能力，使行业畸形发展。虽然作为原来国家轴承行业的技术领先的洛阳轴研科技，自身具备一定的研发实力，但缺乏过硬的产品和关键技术。在电主轴轴承的润滑方式、零部件材料、加工工艺路线、内装式驱动电机、拉刀接口等方面，特别在如伺服驱动控制器、编码器、动力缸、智能传感器等电主轴的附件领域，国外产品占主导地位。正是这几个方面制约了国内高性能数控机床的发展。
国内外电主轴产品的差距无论是附件、性能、关键技术还是质量上都是比较明显的，主要存在以下差距:
(1)在电主轴低速段最大输出转矩，国外电主轴在可以达到200N·m以上，德国的CYTEC更是达到600N·m，而国内目前普遍在100N·m以内。
(2)在最高输出转速上，国外用于加工中心的电主轴的转速已经达到75000r／min，而我国最高只到20000r/min。对于其它电主轴，英国WestWind公司D1733的转速已经达到了250000r/min，而国内电主轴的最高只能达到150000r/min。 (3)电主轴常用润滑方式上，在国外高速电主轴行业，油气润滑技术已经普遍应用，而国内主要以油脂润滑和油雾润滑为主。
(4)在电主轴发展方向，国外在常规电主轴不断完善的基础上，开始向多功能、高性能的新型数控机床用电主轴转移，而国内主要以常规产品为主。 (5)在电主轴的支承技术上，国外成功研究出了采用动、静压液(气)浮轴承和磁浮轴承的电主轴，国内大多处于研发或小批量生产阶段。
(6)在关键技术方面，国外电主轴驱动电机的交流伺服技术、闭环矢量控制技术、C轴传动技术、停机角向准确定位(准停)技术、快速启动与停止技术、HSK刀柄制造与应用技术、主轴智能监控技术等是趋成熟，国内的相关技术还不够成熟，距离实际应用还要相应的改善。
(7)在产品的种类和规模方面，国内高性能数控机床专用电主轴的研究处于起步阶段，相应的技术投入比较少，还是以生产磨床专用电主轴为主，想达到专业化、规模化的生产还需要更多努力，与国外已经形成一定规模电主轴行业相比，需要更多的投入来满足国内市场，并与国外产品相竞争。
欧美公司在关键部件的研发上具有很强的前瞻性和创新能力，国际上涉及电
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重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1绪论
主轴的比如编码器系统、刀具接口、电机工作制等的国际标准和产品都是欧美相关企业制定和生产的，这是他们最具有优势的地方。
1.2直接转矩控制技术的发展和现状
1.2.1直接转矩控制技术的现状及发展趋势
1895年，德国的M.Depenbrock提出直接转矩控制[3]的理论，就是在实现对磁链的控制的同时，也实现对直接转矩的控制。直接转矩控制这种新型技术一出现，就凭借新颖的控制思想，简洁的系统结构及优良的静态性能受到业界广泛的关注而快速的发展。
根据M.Depenbrock所提出的直接转矩控制理论系统，这是一个六边形的控制系统。其磁链轨迹在六边上分别有相应六个非零电压矢量与其对应，组合起来正好可以按正六边形[4]的方式运动。根据这个特点，将六个工作状态通过转换可直接由六个非零电压矢量来实现六边形磁链轨迹以及磁环控制，从而实现直接转矩控制。
1986年，日本东芝的Takahashi教授在六边形方案的基础上，提出了对磁链轨迹圆形[5]控制方案，实现了让磁链轨迹基本沿着近似圆形的轨迹运动。这是一种磁链的实时控制，通过考虑某一时刻磁链所在位置，综合计算得到的该时刻的磁链幅值与给定值比较结果来选择电压矢量以及持续时间，从而实现直接转矩控制。
T.G.Haberler提出了一种预前控制，即固定开关周期条件下，根据当前状态下电机的磁链误差、转矩和反电势，通过计算和比较选择出可以满足下一状态的空间电压矢量，从而实现对恒逆变开关频率控制。
最近研究出一种更新型的直接转矩控制系统，为了解决超大功率传动的问题，其逆变器采用软件开关式，这使得开关频率可以达到几千Hz。系统整体上采用谐振式逆变器构成，摒弃了滞环并使用纯Band-Band的控制方式，使控制系统更容易实现。
有学者提出利用感应电动机定子磁链定向的解耦模型，首先通过求出的d、q轴的定子电流得到d、q轴定子电压指令，经转换后可得出静止坐标下对应的定子电压矢量，即利用定子磁通定向的新型控制方案。
近几年来，国外常常用具有高速运算功能的数字信号处理器（DSP）来解决高性能交流电气传动数字控制中测量及控制的速度问题，以弥补单片机运算速度慢的缺点，这是随着DSP技术的发展而出现的。
1.2.2直接转矩控制技术的发展趋势
直接转矩因为系统简单和性能优良被广泛运用，但是在理论和应用实践方面
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重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1绪论
还存在许多需要进一步研究和解决的技术问题。
(1)控制系统的的性能摆脱了电机参数的影响，但受定子电阻影响还是很大，因此需要考虑在不同频率时的变化。在超低频时，定子电阻上的电压降较大，对系统影响比较明显，因此在超低速时，需要解决定子电阻的正确辨识和偏差补偿的问题，这是直接转矩控制系统需要研究的。
(2)直接转矩控制是一种无需速度直接反馈的控制技术，由于算法的不同，其基本控制系统只需要两个电流传感器，可靠性高，但是速度辨认方法还不明确，系统模型也需进一步研究改良。这使无速度传感器研究逐渐兴起，并成为当前交流传动中的热门话题。
(3)直接转矩控制系统形成PWM脉冲的目的是产生圆形气隙磁场。通过控制主回路中电压型逆变器，对开关切换时间作出正确选择，可以获得近似圆形的磁场，从而降低电机的谐波损耗、温度、转矩脉动和噪音。直接转矩控制的关键在于根据电机转速和开关频率选择合适的开关状态，这需要很高的要求。所以如何选择最佳开关控制策略还需要进一步的研究。
(4)直接转矩控制系统最显著的特点在于系统结构简单，控制思路简单，性能稳定，便于数字化。因此实现数字化的直接转矩控制的交流调速系统具有很大的经济价值和跨时代的意义。然而高速DSP价格昂贵，普通单片机运行较慢，这对数字化来说是个急需解决的问题。
1.3论文主要内容
本文主要介绍了高速电主轴直接转矩控制系统的基本结构和基本原理，并用MATLAB/SUMILINK软件根据高速电主轴内置的异步电动机的数学模型建立仿真模型，从而进一步组建异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型。在这基础上，改变控制系统中直接影响异步电动机性能的参数，得到仿真结果，对其进行分析，验证高速电主轴直接转矩控制的有效性和可行性。
1.4本章小结
本章详细介绍了高速电主轴的国内外研究现状及差距，并分析了直接转矩控制技术的现状和发展趋势，最后给出了论文的研究目的和主要研究内容。
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重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2直接转矩控制系统的基本原理
2 直接转矩控制的基本原理
2.1引言
直接转矩控制(DTC)变频调速系统[6]是近十几年来继矢量变频调速技术后发展起来的一种新型高性能的控制方式。运用空间矢量的分析法，采用定子磁场定向，之后在定向的坐标系中计算与控制交流电机的转矩，通过离散的两点式调节（Bang-Bang控制）产生PWM信号直接控制逆变器的开关状态，从而获得转矩的高动态性能。这种控制系统结构简单，控制方式直接，控制过程中省掉了复杂的矢量变换运算，并且将电动机数学模型的简化处理，使信号处理的物理概念明确，因此是一种具有高动态响应的新型交流调速技术。
2.2异步电动机的数学模型
2.2.1异步电动机理想数学模型
交流异步电机[7]的数学模型相当复杂，它是一个高阶，非线性的多变量系统，坐标变换的目的就是要简化数学模型[8]。为了能够根据异步电动机的数学模型建立理想的电机模型，必须对电动机结构参数进行理想化设定： （1）电动机气隙均匀； （2）磁路线性；
（3）电机有效导体沿气隙空间呈正弦状态分布，定子、转子三相绕组对称 （4）磁场正弦分布，磁场谐波忽略不计。 1.电压方程
(2-1)
上式中：、、、、、—依次为定子和转子相电压 、、、、、—依次为定子和转子相电流； 、、、、、—依次为定子和转子绕组的磁链； --微分算子。 2.磁链方程：
(2-2)
上式中：、、、、、依次为为各相定子、转子自感，其他元素依次为定子、转子或定、转子间的互感。 3．转矩方程
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