率降低生产成本和提高产品加工质量，是制造业发展的重要趋势，也是项非常有前景的先进制造技术。高速加工的核心技术主要有高速机床技术高速刀具技术高速加工测试技术等，其中高速机床技术是实现高速加工的基本条件，而高速电主轴是高速机床的核心部件，它实现了机床的零传动，简化了结构，提高了机床的动态响应速度，是种新型的机械结构形式，其性能好坏在很大程度上决定了整台机床的加工精度和生产效率。高速电主轴的关键技术之是变频控制技术。当前高速电主轴主要采用的是高频交流异步电动机，变频控制技术的好坏对高速电主轴能否实现高速加工和加工质量的好坏具有重要影响。因此，对高速电主轴变频控制技术进行分析和性能测试，并进行仿真，是对高速电主轴性能研究的重要环节。本论文深入分析了高速电主轴变频控制的三种主要模式控制矢量控制和直接转矩控制。对它们各自的控制特点及对高速电主轴性能的影响进行了比较。为了验证上述理论，对型高速电主轴进行控制和矢量控制的性能测试实验，测取了该型电主轴的机械特性电流效率功率因素等特性曲线，进而分析了各物理量之间的相互关系及其影响因素。最后，利用仿真平台对高速电主轴的矢量控制进行仿真，并将仿真结果与实测数据进行了对比分析。关键词高速电主轴，变频调速，控制，变频控制测试，仿真重庆大学本科学生毕业设计论文，重庆大学本科学生毕业设计论文重庆大学本科学生毕业设计论文中文摘要ⅠⅡ绪论引言本课题研究的目的及意义本课题研究的背景本课题研究的目的本课题研究的意义国内外高速电主轴研究现状及发展趋势国内高速电主轴的研究现状国外高速电主轴的研究现状高速电主轴的发展趋势高速电主轴关键技术本课题的研究内容本章小结变频调速系统的控制及算法引言变频器的分类结构及工作原理变频器的分类变频器的结构变频器的工作原理控制控制基本原理控制的机械特性矢量控制矢量控制基本原理矢量控制的特点直接转矩控制直接转矩控制基本原理直接转矩控制的优点变频调速主要技术指标重庆大学本科学生毕业设计论文本章小结高速电主轴变频控制测试引言高速电主轴变频控制测试实验控制测试数据分析电压频率特性曲线同步转速为额定值时的机械特性曲线同步转速为时的机械特性曲线电流转矩特性曲线效率输出功率特性曲线功率因素输出功率特性曲线转矩输出功率特性曲线机械特性曲线簇矢量控制测试数据分析本章小结高速电主轴矢量控制仿真引言建立矢量控制仿真模型设置仿真参数高速电主轴参数仿真参数仿真结果及分析空载运行空载启动后再加载负载启动调速本章小结结论致谢参考文献附录高速电主轴控制测试实验数据附录高速电主轴矢量控制测试实验数据重庆大学本科学生毕业设计论文绪论绪论引言制造业是国民经济的支柱产业，制造技术水平和设备制造能力的高低，是个国家科技水平和综合国力的重要标志。随着科学技术的进步，制造业正朝着高精度高速度高效率的方向飞速发展，这就对加工机床提出了更高的要求，机床的高速化成为目前机床的发展趋势。高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之，是装备制造业的战略性产业。高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。这就需要能够实现高速运转的主轴部件高速主轴单元。高速电主轴是高速主轴单元的种典型结构，作为实现机床高速化的关键部件，是近年来数控机床领域出现的新型技术方案，对高速加工产生了深远的影响。它将与高速刀具技术直线电机技术起，把高速加工推向个新的时代。而随着电力电子技术的迅速发展，变频调速技术变得日益普遍和完善，有力地推动了数控技术的快速发展。高速电主轴正是在变频调速技术的支持下发展起来的，变频控制技术的好坏是高速电主轴能否实现高速加工的关键技术之。本章首先论述了课题研究的背景目的及意义，讨论了高速电主轴的国内外研究现状及发展趋势，然后说明了高速电主轴的关键技术，最后介绍了论文的主要研究内容。本课题研究的目的及意义本课题研究的背景从德国博士提出高速切削概念，并于同年申请专利以来，高速切削技术经历了高速切削理论探索阶段高速切削的应用探索阶段高速切削的初步应用阶段高速切削的较成熟阶段这四个阶段。现已在生产中得到推广应用特别是二十世纪年代以来，各工业发达国家相继投入大量人力财力，研究开发高速切削技术及相关技术。现今高速数控机床已成为装备制造业的技术基础和发展方向之，是装备制造业的战略性产业。高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。动态特性是衡量主轴性能的主要指标。美国的国家重点实验室基于梁理论用影响系数法建立含轴承参数的电主轴系统动力学模型，着重研究了切削重庆大学本科学生毕业设计论文绪论力刀具质量和自转速度对转子固有频率的影响以及数控机床高速电主轴单元影响。高速电主轴是高速机床的核心部件，驱动方式是采用内藏主轴电机驱动，也被称为内装式电主轴，其间不再使用皮带或齿轮传动副，从而实现机床主轴系统的零传动。具有结构紧凑重量轻惯性小动态特性好等优点，并改善了机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速机床中得到了广泛的应用。高速电主轴可实现数控机床高速加工，与常规切削相比较，高速切削具有下列优点随切削速度的提高，进给速度也可相应提高，以便基本保证每齿切削厚度不变，单位时间内的材料切除率可大大增加，极大地提高了生产率。在切削速度增加到定值后，切削力可降低以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于对薄壁件等刚性差的零件的加工。在高速切削状态下，以上的切削热还来不及传递给工件和刀具，就被切屑带走，工件可基本保持冷态，因而特别适合于加工容易热变形的零件。④高速切削时，机床的激振频率特别高，它远远离开机床工件刀具工艺系统的基本阶固有振动频率范围，使机床工作平稳振动小，因而能够加工出非常精密且光滑的零件，采用高速切削可以得到很高的零件加工表面质量，高速铣削和高速车削常常可以达到磨削的水平。高速切削可以加工常规切削无法加工的高硬度零件，可取代磨床加工，实现硬切削，可以在无冷却的情况下进行干切削。近年来，随着制造技术的迅猛发展，变频电主轴，被广泛地应用于数控机床，代替旧式的机械变速箱式主轴。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。因此，变频调速器得到快速发展。变频调速器也称变频器，全称为变频变压调速器。它采用大功率晶体管作为功率元件，以单片机为核心进行控制，采用正弦脉宽调制方式，是电力电子与计算机控制相结合的机电体化产品。控制方法，使电机的旋转磁场为理想的圆形磁场，转矩脉动小，电机运转平稳，特别是克服了电压型逆变器控制中电机低速运行时转矩脉动大的缺点。变频调速器优点很多，比如操作简便精确可调数字显示在线无级调速等，但其主要的优点在于节能。交流调速控制系统经历了个漫长的发展过程，从最初的开环控制到后来闭环转差频率控制矢量控制和直接转矩控制算法，可控变量越来越多，控制方法也越来越复杂，控制性能也越来越重庆大学本科学生毕业设计论文绪论高。随着交流变频调速技术的不断发展及变频调速器性价比的不断提升，交流变频不但在工艺型调速传动中取代了原直流调速技术的地位，同时还在不断开拓新的应用领域。我国工业技术虽然有了较大的发展，但目前仍是处于个工业化中期社会，技术发展还不平衡，在很多企业生产中，表现出来最明显的特征依旧是能源消耗多，生产效率较低，产品质量参差不齐，能效比不高，陈旧老设备在国民生产中仍旧占较大的比重。变频调速的应用，就是要改造这些设备，以达到节约能源的目的。有国家省市政府的大力支持，有成熟的技术基础理论，纵观节能改造市场，潜力巨大，在各种调速节能中，利用变频调速，是异步电动机调速效果最好最成熟最有发展前途的节能技术。本课题研究的目的电主轴是高精度高转速内装电动机主轴单元，是实现高速加工的关键机床部件，且因电动机控制技术日益成熟和电主轴的批量生产，成本的降低，电主轴有广泛取代普通机械主轴发展趋势。普通主轴般是由驱动电动机通过皮带齿轮等中间环节驱动主轴带动主轴旋转，通过换挡进行调速。有级调速，体积大，精度低，能耗大，调速范围小，由于传动链的限制，很难实现高转速或高速下的高精度。而精密电主轴通过把电动机与主轴设计成体，使电动机直接驱动精密主轴，消除了影响主轴精度的中间环节，电动机由专用变频电源无级调速或由伺服系统直接控制，调速范围广，能耗低，控制操作简单，解决了普通主轴无法完成的功能。电主轴已成为高速加工机床的关键部件。而变频控制系统直接影响高速电主轴性能的高低，变频调速技术亦已深入我们生活的每个角落，变频调速系统的控制方式包括矢量控制直接转矩控制等。因此，通过对高速电主轴变频调速技术的研究与分析，理解高速电主轴及变频器主要参数对性能的影响，并得出合理的改善建议。本课题研究的意义变频调速技术的出现，使得交流无级调速系统结构简单，维护方便，逐渐取代直流和其它调速系统，变频器高达的节电效果，极大地降低生产成本，在现在能源紧张的电荒时期，更有助于提高企业产品的竞争力。电主轴变频调速技术被广泛应用于印刷机床塑料制药造纸纺织印染食品橡胶油田矿山风机水泵等领域。中国变频器市场具有广阔的发展空间，年达到了亿元，目前则达到亿元左右。随着市场的扩大和用户端需求的多样化，国内高速增长的时期，在有色金属冶金机械等行业得到广泛应用。据统计，在过去的几年内中国变频器的市场保持着的增长率，这个速度己经远远超过了近几年的重庆大学本科学生毕业设计论文绪论增长水平，预计至少在未来年内将会保持以上的增长率。目前，中国市场上变频器安装容量功率的增长率实际上在左右，按照这样的发展速度和中国市场的需求来计算，至少在年以后变频器市场才能饱和并逐渐成熟。由于市场极具吸引力，不但市场已形成定规模，而且潜在容量也十分可观，不断吸引着行业新参与者