用于高速電主軸變頻調(diào)速控制的電壓矢量給定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的技術(shù)方案涉及一種電機(jī)控制技術(shù)，特別涉及用于高速電主軸變頻調(diào)速控 制的電壓矢量給定方法。 技術(shù)背景
[0002] 轉(zhuǎn)速超過10000r/min的電主軸通常稱為高速電主軸（HighFrequencySpindle)， 它具有高速、無極傳動(dòng)和零傳動(dòng)鏈的特點(diǎn)。與普通主軸相比，其在功率傳遞性能和動(dòng)態(tài)平衡 能力方面具有很大的優(yōu)勢。并且隨著電力電子技術(shù)、材料科學(xué)、數(shù)字電子技術(shù)及新型控制理 論的發(fā)展，高速電主軸在高性能的伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。目前較為常用的 主軸控制方法有恒壓頻比控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制三種。但是，為了實(shí)現(xiàn)精確控制， 上述方法需要在調(diào)速系統(tǒng)中添加磁鏈觀測器對(duì)主軸轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行觀測，這樣使得算法時(shí)間 較長，高速電主軸控制效果和可靠性明顯下降。因此，開發(fā)出一種精確控制提高高速電主軸 變頻調(diào)速速度的方法很有意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于對(duì)高速電主軸變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出確定電主 軸電壓矢量的方法及實(shí)現(xiàn)裝置。本發(fā)明針對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)速要求精確控制，并實(shí)現(xiàn)快速控制的高速 電主軸，提出：根據(jù)恒壓頻比控制確定電壓矢量幅值，根據(jù)固定位置點(diǎn)的開環(huán)電壓空間矢量 調(diào)制（SVPWM)確定電壓矢量的相位和作用時(shí)間，完成高速電主軸調(diào)速系統(tǒng)控制。這樣的設(shè) 計(jì)方法，在算法簡單，調(diào)速用時(shí)較短的前提下，保證了高速電主軸輸出轉(zhuǎn)矩恒定，降低了系 統(tǒng)成本，適用于高速電主軸精確控制。同時(shí)它可以提高直流電壓利用率，顯著減少逆變器輸 出電流的諧波成分及電機(jī)的諧波損耗，降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
[0004] 本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：用于高速電主軸變頻調(diào)速控制的電 壓矢量給定方法，以下簡稱電壓矢量給定方法，其步驟如下：
[0005] A.電壓矢量給定方法運(yùn)行所用裝置及操作：
[0006] 用于高速電主軸變頻調(diào)速控制的電壓矢量給定方法所用裝置，包括轉(zhuǎn)速給定模 塊、DSP控制模塊、功率電路、高速電主軸、母線電源模塊和驅(qū)動(dòng)控制電源模塊，其中，驅(qū)動(dòng)控 制電源模塊為轉(zhuǎn)速給定模塊、DSP控制模塊和功率電路進(jìn)行供電，母線電源模塊為功率電路 提供可逆變的直流電；轉(zhuǎn)速給定模塊、DSP控制模塊、功率電路和高速電主軸依次用導(dǎo)線連 接；
[0007] B.電壓矢量給定方法運(yùn)行步驟：
[0008] 第一步，確定定子電壓幅值：
[0009] 通過轉(zhuǎn)速給定模塊設(shè)定高速電主軸運(yùn)行的轉(zhuǎn)速ns，將該轉(zhuǎn)速帶入轉(zhuǎn)速計(jì)算公式得 到調(diào)速控制系統(tǒng)運(yùn)行所需的實(shí)際頻率，然后通過恒壓頻比控制得到高速電主軸的初始定子 電壓的幅值；再通過定子電流進(jìn)行定子電壓補(bǔ)償，進(jìn)而通過公式（1)得到最終的定子電壓 幅值Us;
[0010] (1)
[0011] 式中，k=U/f，U為電主軸額定電壓，f為電主軸額定頻率，k為恒壓頻比系數(shù)，p 為電機(jī)極對(duì)數(shù)，I為定子電流，R為定子繞組的電阻值；
[0012] 第二步，確定高速電主軸運(yùn)行的轉(zhuǎn)速^與定子空間電壓矢量個(gè)數(shù)m的關(guān)系：
[0013] 通過DSP控制模塊讀取對(duì)應(yīng)高速電主軸運(yùn)行轉(zhuǎn)速為^時(shí)電壓矢量的作用時(shí)間 △t，并根據(jù)定子空間電壓矢量個(gè)數(shù)m與電壓矢量的作用時(shí)間At與第一步設(shè)定高速電主軸 運(yùn)行的轉(zhuǎn)速ns之間的如下關(guān)系公式（2)
[0014]
⑵，
[0015] 計(jì)算高速電主軸運(yùn)行轉(zhuǎn)速為^時(shí)，對(duì)應(yīng)的定子空間電壓矢量個(gè)數(shù)m;再將得到的 所有的空間電壓矢量個(gè)數(shù)m與高速電主軸運(yùn)行的轉(zhuǎn)速^進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最終得到，高速電主軸 運(yùn)行的轉(zhuǎn)速ns與定子空間電壓矢量個(gè)數(shù)m之間的關(guān)系為：
[0016] 當(dāng)設(shè)定的高速電主軸運(yùn)行的轉(zhuǎn)速nsS30001-60000r/min時(shí)，選定定子空間電壓 矢量個(gè)數(shù)m為12 ;當(dāng)設(shè)定的高速電主軸運(yùn)行的轉(zhuǎn)速nsS15001-30000r/min時(shí)，選定定子空 間電壓矢量個(gè)數(shù)m為24 ;當(dāng)設(shè)定的高速電主軸運(yùn)行的轉(zhuǎn)速nsS1000-15000r/min時(shí)，選定 定子空間電壓矢量個(gè)數(shù)m為48 ;
[0017] 第三步，確定定子空間電壓矢量：
[0018] 根據(jù)第一步設(shè)定的高速電主軸運(yùn)行的轉(zhuǎn)速ns和按照第二步確定的空間電壓矢量 個(gè)數(shù)m，由位置已經(jīng)確定的6個(gè)基本電壓矢量G~ 根據(jù)如下的公式（3)合成m個(gè)定子空 間電壓矢量￡>#，將第一步中得到的定子電壓矢量幅值UJ?入如下的公式（3);
[0019]
[0020] 上式中^表示需要合成的定子空間電壓矢量，Us表示定子電壓幅值，U_表示定 子電壓幅值的最大值，^和分別表示對(duì)應(yīng)的基本定子電壓矢量；
[0021] 當(dāng)定子空間電壓矢量個(gè)數(shù)為12個(gè)時(shí)，將已確定的6個(gè)基本定子電壓矢量帶入公式 (3)，即可得到確定位置的12個(gè)定子空間電壓矢量；若定子空間電壓矢量個(gè)數(shù)為24個(gè)，則以 確定位置的12個(gè)定子空間電壓矢量為基礎(chǔ)，再根據(jù)公式（3)得到24個(gè)定子空間電壓矢量， 以此類推，得到48個(gè)定子空間電壓矢量；
[0022] 第四步，列出定子空間電壓矢量對(duì)應(yīng)的三相SVPWM信號(hào)的占空比關(guān)系的控制表 格：
[0023] 根據(jù)第三步得到的定子空間電壓矢量，再根據(jù)六個(gè)基本的定子電壓矢量對(duì)應(yīng)的 功率電路的逆變器開關(guān)狀態(tài)，得到所有定子空間電壓矢量對(duì)應(yīng)的三相SVPWM信號(hào)的占空 比，并列出在定子空間電壓矢量個(gè)數(shù)為m的情況下，每個(gè)定子空間電壓矢量與對(duì)應(yīng)的三相 SVPWM信號(hào)占空比關(guān)系的控制表格；
[0024]第五步，實(shí)現(xiàn)用于高速電主軸變頻調(diào)速控制的電壓矢量給定：
[0025] 將第四步得到的空間電壓矢量對(duì)應(yīng)的三相SVPWM信號(hào)的占空比關(guān)系的控制表格 中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入DSP控制模塊中，然后通過轉(zhuǎn)速給定模塊重新設(shè)定高速電主軸運(yùn)行的轉(zhuǎn) 速，再根據(jù)公式（1)得到新的定子電壓幅值，由重新設(shè)定高速電主軸運(yùn)行的轉(zhuǎn)速，然后根據(jù) 第二步的方法確定此轉(zhuǎn)速下的定子空間電壓矢量個(gè)數(shù)，將此步驟得到的新的定子電壓幅值 和定子空間電壓矢量個(gè)數(shù)信息輸入DSP控制模塊中，DSP控制模塊直接進(jìn)行列表查詢程序， 輸出相應(yīng)的SVPWM信號(hào)，該SVPWM信號(hào)經(jīng)過功率電路的處理進(jìn)而控制高速電主軸以給定的 轉(zhuǎn)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)用于高速電主軸變頻調(diào)速控制的電壓矢量給定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高速電主軸變 頻調(diào)速控制的運(yùn)行。
[0026] 上述用于高速電主軸變頻調(diào)速控制的電壓矢量給定方法，所述DSP控制模塊中的 DSP控制芯片為美國德州儀器TMS320LF2812。
[0027] 本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)如 下：
[0028] (1)由于基本的電壓型逆變器，三相開關(guān)的導(dǎo)通情況共有8種，g卩100、110、010、 011、001、101以及111和000。從實(shí)際情況看，前六種狀態(tài)有輸出電壓，屬于有效工作狀態(tài)； 而后兩種全部是上管子通或下管子通，沒有輸出電壓，稱之為零工作狀態(tài)，即無效工作狀 態(tài)。對(duì)于這種基本逆變器，稱之為6拍逆變器，它在每個(gè)工作周期中，六種有效工作狀態(tài)各 出現(xiàn)一次，每種狀態(tài)持續(xù)60°。這樣，在一個(gè)周期中六個(gè)電壓矢量共轉(zhuǎn)過360°，形成一個(gè) 封閉的六邊形。本發(fā)明中空間電壓矢量的確定是以該六個(gè)電壓矢量為基礎(chǔ)電壓矢量，然后 再對(duì)其進(jìn)行兩兩合成，從而得到6*2 = 12個(gè)，12*2 = 24個(gè)，24*2 = 48個(gè)定子空間電壓矢 量，從而使定子空間電壓矢量構(gòu)成的磁場更接近圓形，控制效果更好。
[0029] (2)本發(fā)明電壓矢量的給定方法根據(jù)設(shè)定