基于双滑模控制的PMSS直接转矩调速系统设计

针对永磁同步电主轴传统直接转矩控制策略存在较大的磁链和转矩脉动,系统在低速段难以精确控制,以及由于磁链和转矩脉动引起的噪声和抖动等问题,该文提出了基于双滑模变结构控制的永磁同步电主轴直接转矩调速控制方案。提出通过转矩和磁链的2个滑模控制器来代替传统直接转矩中的2个滞环控制器,其输出实现了空间电压矢量调制,保证了逆变器开关频率恒定,减小了磁链和转矩脉动;分析滑模变结构控制所产生抖振缺陷的机理,选择适当的趋近律在保证系统鲁棒性的前提下有效抑制了抖振。实验和仿真结果表明,该调速系统具有动态响应快,磁链和转矩脉动小以及较强的鲁棒性等优点。

一种改善PMSS弱磁电流稳定性的控制策略

针对表贴式永磁同步电主轴(permanent magnet synchronous spindle,PMSS)弱磁控制中随转速升高出现定子电流震荡的问题。在分析弱磁控制算法以及转速调节器的基础上,提出一种基于模糊控制的改进型超前角弱磁调速策略;此策略使用改进型超前角弱磁控制算法扩展电主轴调速范围并抑制电流震荡;使用模糊PI转速调节器实现参数的动态调节,提高系统的稳定性。实验结果表明,基于模糊控制的改进型超前角弱磁调速策略能较好的扩展电主轴调速范围,且较好地抑制定子电流的震荡,从而提高永磁同步电主轴弱磁阶段的动态性能及稳定性。

集成式电机主轴的力感知及微进给特性研究

为满足精密加工过程中对电机主轴的转速、进给距离和切削力精确控制的需求,将永磁同步电机和超磁致伸缩驱动器结合,提出一种具有转动、微进给及力感知功能的集成式电机主轴。为验证集成式电机主轴力感知部分的结构合理性,基于磁路法和有限元分析法,得出集成式电机主轴的微进给距离、外线圈感应电压与外部载荷的关系。最后,为验证仿真的准确性,搭建集成式电机主轴力感知及微进给试验平台。结果显示,在此磁路模型设计中,集成式电机主轴的磁通密度可达0.551 9 T,磁通密度均匀度大于77.85%,集成式电机主轴的微进给距离可达26.5μm,外线圈感应电压与外部载荷成反比且内线圈的最佳外加电流为5 A。研究结果表明,集成式电机主轴力感知及微进给功能的设计是合理可行的,为深入研究和精确控制集成式电机主轴奠定了基础。

插入式永磁同步电主轴无传感器弱磁控制技术研究

为了提高电主轴的电流利用率和鲁棒性,在矢量控制的基础上,对插入式永磁同步电主轴进行研究。对最大转矩电流比控制的四阶方程进行标幺化处理,采用拟合曲线的方式对方程进行近似求解;利用弱磁调速扩展主轴的速度范围。通过滑模观测器估算电主轴转速,为了改善传统滑模观测器的抖振问题,将Sigmoid函数引进传统滑模观测器中,通过李雅普诺夫判据对所提策略的稳定性进行推导说明。以实验室中高速磨削电主轴FL170-20-15为例,通过以上算法搭建基于MATLAB的仿真实验平台进行实验验证,并分析该控制策略的效果。实验结果表明:采用该方法的高速磨削电主轴减小了滑模观测的抖振现象,提高了控制系统的鲁棒性。

无轴承永磁同步电主轴的模糊滑模位移控制

为满足无轴承永磁同步电主轴高性能转子位移控制要求,结合遗传算法寻优快及模糊控制能柔化控制信号的优点,设计一种将滑模等效控制、模糊控制和遗传算法有机结合的电主轴转子位移控制策略,在滑模控制中引入模糊切换增益,并通过遗传算法对模糊滑模控制器参数进行优化,从而获得最佳控制效果。结果表明:模糊滑模控制降低了系统在传统滑模控制下的抖振,遗传算法优化后模糊滑模控制下的不同轴向稳态转子振动峰峰值较优化前分别减小了53%和27.5%。

高性能永磁同步电机主轴伺服系统设计研究

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、Ｘｑ 和Ｅ０ 对系统运行性能的影响。建立了电机数学模型，提出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。

永磁同步电主轴分数槽电机的径向电磁力分析

依据谐波绕组理论,建立了分数槽永磁同步电主轴电机气隙磁密及其谐波的解析计算模型和有限元计算模型。基于该模型计算出径向电磁力。采用解析法得出了径向电磁力的力波次数及频率,并与有限元法计算结果进行了对照。通过与实测振动加速度频谱对照表明,引起电主轴电机振动的主要原因是径向电磁力。通过气隙磁密波形重构,去掉了与模态频率接近的主要谐波成分,以此作为低噪声电机设计的主要方法之一。为后续低振动、低噪声电机的研发开拓了一种新的思路。

无轴承永磁同步电机转子质量不平衡补偿控制

在旋转机械中,由于转子质量的不平衡会导致沿旋转方向的振动,严重影响了系统的动态特性及安全运行,特别是对具有较高速度的悬浮转子来说,不平衡补偿具有重要的现实意义。该文介绍了悬浮转子振动控制原理,推导出悬浮转子的动力学方程。在电磁转矩和径向悬浮力解耦控制的基础上,对无轴承永磁同步电机转子进行了振动补偿控制,基于前馈法设计了不平衡补偿控制系统,并利用Matlab中Simulink工具箱对该系统进行了仿真试验研究。结果表明:基于前馈补偿控制器的振动控制策略能够很好的抑制悬浮转子振动,提高了转子的旋转精度。

一种采用陷波滤波器的超前角弱磁控制算法

针对永磁同步电主轴在弱磁阶段,当采用SVPWM过调制控制时稳态速度产生波动的现象,在分析超前角弱磁控制算法的基础上,将主要原因归结为SVPWM过调制引起逆变器输出电压的6次谐波分量通过弱磁电压闭环传导到dq轴参考电流中,造成电流环控制性能变差进而影响电主轴的速度控制性能。对此,提出一种采用陷波滤波器的超前角弱磁控制算法。此方法在弱磁电压闭环回路中设计了陷波滤波器,以滤除输入电压信号中的6次谐波分量,同时不影响其他信号分量。实验结果表明,加入陷波滤波器之后,弱磁阶段的输出电压、电流与速度信号中的6次谐波分量明显地减小,其波形得到了显著改善,从而有效地提高了电主轴的弱磁调速性能。

基于跟踪微分器的永磁同步电主轴电流控制算法

永磁同步电主轴电流PI调节器存在阶跃响应超调与跟踪速度之间的矛盾,造成电流跟踪过程出现超调,增加了PI参数的整定难度。其原因主要是,控制的"快速性"与"超调"之间的矛盾是PI调节器的固有属性,为此,根据自抗扰控制理论,提出采用跟踪微分器为d轴和q轴电流指令安排过渡过程的方法,使PI调节器对输入电流阶跃信号的跟踪更加平滑。仿真和实验结果表明:相比于采用积分分离设计的PI调节器,该方法使电流更快速、平滑地跟踪指令值,且跟踪过程无超调,增强了电主轴电流控制的鲁棒性。

永磁同步型磨削电主轴偏心振动分析及实验

电主轴是将旋转主轴与电机转子集成为一体的主轴单元,结构复杂,由于加工或装配误差等原因,电主轴转子会存在着一定的偏心量,为探求由于电主轴偏心所导致的转子振动特性,建立了电主轴转子偏心模型,采用Maxwell应力张量法计算了偏心造成的不平衡磁拉力(UMP),将UMP解析式代入Jeffcott转子模型,得到了转子偏心振动方程。以某磨床的永磁同步电主轴为研究对象,利用有限元方法分析了UMP,发现作用于转子的UMP始终指向气隙最小的方向,研究了不同转速下转子在质量偏心离心力和UMP作用下的振动响应。研究结果表明,电主轴在低速运行时,UMP为转子振动的主要来源;随着转速的增加,质量偏心离心力对转子振动的影响更加明显,而UMP大小保持不变,其频率随转速增加而增大,对转子振动的作用随之减弱。对某机床厂所研发永磁同步型磨削电主轴在试运行时产生的振动问题进行了实验,对主轴振动频谱分析后判断实验电主轴存在静态偏心,测得主轴轴心轨迹对前述分析进行了验证。

作主轴传动的永磁同步电机弱磁控制系统

研究了一种双CPU全数字控制转子加额外磁阻铁心的新型表面式永磁同步电动机的弱磁控制系统,对系统中弱磁算法、转速计算和速度调节器作了深入探讨,得到了较好的实验结果.

一种改进型永磁同步电主轴死区补偿算法

针对永磁同步电主轴SVPWM逆变器死区效应所造成的输出电流波形严重畸变和零电流钳位现象,分析了因死区时间、功率器件导通关断时间引起的误差电压矢量,在传统电压前馈死区补偿算法的基础上,提出了一种改进型电压前馈死区补偿算法,无需对电流矢量角度进行实时计算进而判断其所在扇区进行补偿,而是利用电流环已经计算好的电流矢量幅值分量iα和iβ的线性组合实现对定子电压的补偿,算法计算量小、易于实现,同时避免了角度计算误差对死区补偿效果的影响。实验结果表明:改进算法可以有效地改善输出电流的波形,消除零电流钳位现象。

永磁体削角参数对永磁同步电主轴齿槽转矩影响的研究

齿槽转矩是由于永磁体和有槽电枢铁心的相互作用产生的,齿槽转矩的变化会引起电机振动与噪声,影响永磁同步电主轴的稳定性。文章提出了一种削弱表贴式永磁同步电主轴齿槽转矩的方法,可以提高数控机床的工作精度。借助ANSYS有限元分析软件,建立了表贴式永磁同步电主轴的有限元模型,通过优化永磁体削角参数减小了永磁同步电主轴的齿槽转矩。研究表明:对永磁体进行三角形削角,可有效减小齿槽转矩脉动。

考虑轴向模态的永磁同步电主轴噪声计算

精确计算永磁同步电主轴定子的模态,对于预测永磁同步电主轴的振动和噪声是至关重要的。文章用解析法和有限元法分别计算了永磁同步电主轴定子周向模态和轴向模态。并分析了端盖、温升对永磁同步电主轴定子的固有频率的影响。研究表明:端盖对定子的约束使低阶模态提升较多,而对高阶模态影响很小;电主轴工作过程中的温升会造成模态频率的略微下降。分析了电主轴定子轴向模态的相对声强系数对电主轴噪声计算的影响,并与实验数据进行了对比,验证了计算结果的实用性。

永磁体廓形对永磁同步电主轴转矩脉动的影响

文章分析了永磁体表面廓形对永磁同步电主轴转矩脉动及噪声的影响。通过在永磁体表面进行开槽来降低转矩脉动,以达到抑制振动噪声的目的。槽形包括圆弧形、矩形、三角形、梯形等形状。其中梯形槽形状在不减少平均扭矩的情况下显著减少了转矩脉动。建立永磁体表面形状改进前后的三维模型,完成了谐响应和声场的计算,并对计算结果进行对比分析。指出该方法可有效地降低永磁同步电主轴转矩脉动和噪声。

永磁同步电主轴自抗扰速度环优化控制研究

永磁同步电主轴在弱磁阶段带载运行时,若速度环采用PI调节器,由于其抗负载扰动(主要指负载的突变和随机扰动)能力较差,通常会造成大幅度地速度跌落现象,甚至会产生速度震荡。为此,提出一种采用自抗扰控制器的弱磁速度环控制算法。算法采用自抗扰控制器代替速度环PI调节器,将负载扰动归为未知扰动,由自抗扰控制器将其观测出来并加以补偿,同时估计出电主轴实际转速,从而实现速度环的优化控制。仿真结果表明:相较于传统的速度PI调节器,采用自抗扰算法后负载扰动造成的速度跌落和调整时间明显减小,能够有效地提高弱磁调速时速度环对负载变化的抗扰能力,改善了弱磁调速性能。

基于模糊滑模切换控制的PMSMS弱磁调速控制策略

针对表贴式永磁同步电主轴(PMSMS)弱磁控制方案中,主轴系统调速性能欠佳的问题,提出一种基于模糊滑模切换控制(FSMSC)的超前角弱磁调速策略。在转速误差大于设定阈值时,使用模糊控制器实现主轴转速快速趋近给定值,利用模糊控制的特点对控制器进行实时的参数调整,使系统具有更强的鲁棒性;在转速误差小于设定阈值时,使用趋近律滑模控制器提高系统抗干扰能力,减小加工过程中因负载突变造成的加工误差,进一步增强系统鲁棒性。实验结果表明,基于FSMSC的超前角弱磁调速策略能有效抑制定子电流震荡以及电磁转矩脉动,并且控制器对抖动因子参数敏感性低,参数调节便捷,在实际加工中具有重要意义。

楔形气隙结构对永磁同步电主轴转矩和径向力影响的分析

为了提高永磁同步电主轴电磁转矩,减小振动噪声,提出了一种楔形气隙结构。文中对楔形气隙永磁同步电主轴的电磁转矩进行了解析分析。利用有限元软件对均匀气隙和楔形气隙永磁同步电主轴模型进行了仿真分析,将以上两种气隙结构模型的电主轴转矩和径向力进行了对比,发现楔形气隙结构和均匀气隙结构的永磁同步电主轴相比电磁转矩幅值增加较大,径向力幅值显著减小。并得出楔形气隙结构对提高永磁同步电主轴转矩密度、减小振动噪声有明显的作用。

气隙形状对永磁同步电主轴齿槽转矩的影响

齿槽转矩是由于谐波磁势与气隙磁导的相互作用产生,齿槽转矩的变化引起电机振动与噪声,影响永磁同步电主轴的稳定性。提出了一种削弱永磁同步电主轴齿槽转矩的方法,可以提高高档数控机床的工作精度。借助ANSYS有限元分析软件,建立了永磁体同步电主轴有限元模型,分析其电磁特性。通过改变非均匀气隙中不同的最长气隙长度与其偏移位置角度气隙形状参数,总结出齿槽转矩和额定转矩的变化规律。依据最佳参数设计永磁同步电主轴,可有效地降低齿槽转矩。研究表明:同一最长气隙长度下,随着偏移位置角度的增加,齿槽转矩先下降,然后开始增加;而额定转矩是先呈现上升趋势,后逐渐开始下降。合理设计永磁同步电主轴气隙形状可以有效地削弱齿槽转矩,且不会减小额定转矩值。