高速异步主轴电机控制系统的研究

【摘要】异步电机高速驱动系统广泛应用于机床主轴、轨道牵引、电动汽车等领域,在重要自动化装备中发挥重大作用。针对数控机床主轴驱动系统中异步电机运行所要求的宽调速范围、大转矩、高的动态性能等要求,在分析国内外参考文献的基础上,提出了一种基于转子磁场定向的弱磁控制策略搭建的高性能异步主轴电机驱动控制系统。数控机床主轴驱动系统中通常采用的执行电机是异步电机,按转子磁场定向的矢量控制,能够实现电机的转矩分量与磁链分量的解耦控制,是实现高性能调速控制的基本方案。本文首先详细分析了异步电机的转子磁场定向的矢量控制原理,建立了相关的数学模型以及对矢量控制中需要解决的几个关键问题进行了深入的分析,例如坐标变换、转子磁链观测器的设计、空间电压矢量SVPWM的脉宽调制算法进行了分析。接着分析指出实现高速化驱动控制需要解决的关键问题,即：保证电机能够最大化输出转矩的弱磁控制算法、电流解耦控制算法。采用坐标变换并未实现转矩与磁链的完全解耦,d、q轴电流控制之间还存在着交叉耦合,因此,首先对同步PI调节器的电流控制方案进行分析与设计,然后考虑到不同的耦合因素下对电流解耦控制理论进行了分析,并设计了具有前馈解耦的PI控制器,但它对电机参数较敏感,这在高速运行区域参数变化很严重的情况下会导致解耦效果下降,因此也不适合采用,最后分析并提出了一种具有抗饱和的复矢量PI控制器来代替传统的同步旋转PI电流调节器,以消除耦合电压对电流调节器的负面影响,相比前馈方案,提高了电机参数的鲁棒性,使系统在高频区的电流跟踪控制性能得到较大提升。在一个需要转矩控制的主轴电机驱动系统中,最大转矩输出和功率输出依赖于逆变器的额定电流和逆变器能够提供的可用电压。为了让电机运行在高速应用场合,弱磁控制策略应该被采用,但是可用的转矩是下降的,一个特殊的控制策略,考虑电流与电压的限制应该被用来获得在整个速度运行区域的最大转矩。本文在国内外参考文献分析的基础上,采用了一种适合弱磁区域调速的控制方案,扩展了电机的运行范围,提高了电机在弱磁区域的最大转矩输出能力。最后,构建了异步主轴电机高速化驱动系统的软硬件实验平台,在此平台上进行了控制策略的实验验证,结果表明本文所提出的控制算法在一定程度内有效地解决了异步主轴电机高速运行的部分关键问题,显著地提高了主轴驱动系统的控制性能。
【作者】邓新锦；
【导师】曾岳南；
【作者基本信息】广东工业大学，控制理论与控制工程，2014，硕士
【关键词】异步主轴电机；转子磁场定向；弱磁控制；电流解耦；最大转矩输出；

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