[发明专利]面向变负载超高速磨削的同步电主轴加加速强磁控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及超高速磨削加工技术，具体涉及一种面向变负载超高速磨削的同步电主轴加加速强磁控制方法。

背景技术

超高速磨削是先进制造领域极富挑战性的一项高效精密加工技术，是世界装备制造业和产业化竞争的焦点和前沿，在现代化军事国防的高端战略装备，如舰艇发动机非圆轮廓核心零件的高效磨削加工中具有广泛用途。

变负载超高速磨削是一种加工常态，如非圆轮廓零件磨削过程中，磨削载荷随工件转角不断发生变化。为保证磨削工件的轮廓精度和表面质量，通常要降低工件旋转速度或进给速度，导致磨削效率明显降低。要实现高效高质高精加工，客观上要求磨床电主轴系统具有高的加加速特性。永磁同步电主轴由于具有转子原理上不发热、效率高、功率密度大、力矩特性硬、控制精度高等相比于异步电主轴的显著优势，代表了未来电主轴的发展趋势，但其加加速特性在国内外均未得到有效解决。

采用现有的最大转矩电流比MTPA(Maximum Torque per Ampere，MTPA)或i_d＝0控制方法存在的问题：(1)恒功率扩速困难。当电机额定转速低于工作转速时，采用MTPA控制进行恒功率调速，由于i_d＝0，电枢不产生抵消永磁磁链的负向磁场，气隙磁通恒定，反电动势正比于转速，极易造成反电动势过大，超过驱动器所能承受的电压限值，从而导致驱动器自动报警跳闸，转速难以达到超高速磨削所需要的工作转速。(2)无磁阻转矩，出力受限。由于i_d＝0，电机电磁转矩只由永磁磁链产生而无磁阻转矩项，导致输出转矩能力受到制约，抗变负载超高速磨削较困难。而且，电机额定点设在工作点，不需进行恒定功率控制调速，只需进行MTPA或恒转矩控制调速，转速则可升至超高速磨削所需要的工作转速，但由于电机额定转速大大提高，在额定功率相同情况下，体积将大幅下降，电机空间受限，轴系刚性难以保证，必然影响磨削精度。

采用现有的弱磁控制存在的问题：(1)电机力矩特性下降，出力受限。高速弱磁作用导致电机力矩特性下降。一方面高速旋转状态下电机机械电磁损耗发热消耗部分功率；另一方面弱磁作用使得永磁磁链产生的电磁转矩被逐渐削弱。由于电机力矩特性下降，出力受限，难以适应变负载超高速磨削工况需求。(2)电机力矩动态响应慢。由于电机力矩特性硬，再加上电机参数变化和系统参数的耦合作用，导致力矩动态响应慢，跟踪能力欠缺，势必影响力矩速度的稳定性。(3)电机电流大，易造成控制器饱和与电机同步失速。鉴于上述原因，采用弱磁控制，存在磨削效率、磨削质量和磨削精度也难以同时兼顾的局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种电机力矩特性好，磨削效率高，电机力矩速度动态响应快，控制鲁棒性好，磨削质量和磨削精度高，电机电流小，可有效防止控制器饱和及电机同步失速与失控，高效节能的面向变负载超高速磨削的同步电主轴加加速强磁控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种面向变负载超高速磨削的同步电主轴加加速强磁控制方法，步骤包括：

1)闭环获取同步电主轴的d轴电流预期指令值和q轴电流预期指令值

2)将d轴电流实际值i_d与d轴电流预期指令值比较得到的误差作为PI控制器的输入信号，经比例积分控制得到d轴电压指令值将q轴电流实际值i_q与q轴电流预期指令值比较得到的误差作为PI控制器的输入信号，经比例积分控制得到q轴电压指令值

3)根据d轴电压指令值q轴电压指令值及测得的同步电主轴的实际转子位置θ，通过d,q两相旋转坐标系到u,v,w三相静止坐标系变换，得到三相静止坐标系中u相电压预期指令值v相电压预期指令值和w相电压预期指令值

4)将三相静止坐标系中u相电压预期指令值u相电压实际值v_u的误差信号作为u相功率开关IGBT的控制信号、将物理坐标系v相电压预期指令值v相电压实际值v_v的误差信号作为v相功率开关IGBT的控制信号、将物理坐标系w相电压预期指令值w相电压实际值v_w的误差信号作为w相功率开关IGBT的控制信号，对PWM Inverter驱动器的u相、v相、w相的实际输出电流i_w、i_v和i_w进行矢量控制，且在进行矢量控制过程中，不断增大q轴电流预期指令值并降低d轴电流预期指令值使得电机内功率因数角β不断减小。

优选地，所述步骤1)的详细步骤包括：