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1、第1章 前言1.1课题来源 本课题所研究的是开关磁阻电机调速系统在龙门刨床上的应用，课题来源于我的导师的一个自选课题。我所在的科研小组一直以研究开关磁阻电机调速系统的理论和实际应用为主要研究内容，所以选了龙门刨床这一非常典型的负载。目前市场上已有相关的产品，但是其性能有不足之处，如转矩波动过大、噪声过大等，所以仍需作进一步的研究。本课题所做的工作只是前期研究，在实验室用实验装置模拟龙门刨床的实际工作状况，并算出相关参数，为以后的工作做准备。1.2龙门刨床驱动系统简介12 龙门刨床是机床的一种，它是制造重型设备，如汽轮机、发电机、矿山设备等不可缺少的工作母机，是现代机械工业中的主要生产机械之一，
2、主要用来加工各种平面、斜面、槽，更适合于加工大型而狭长的机械零件，如机床床身、导轨、箱体、立柱等，其应用非常广泛，具有多种控制要求。1.2.1 机床简介机床是对金属或其他材料的坯料或工件进行加工，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机器。机械产品的零件通常都是用机床加工出来的。机床是制造机器的机器，也是能制造机床本身的机器，这是机床区别于其他机器的主要特点，故机床又称为工作母机或工具机。机床分类：机床主要包括金属切削机床，主要用于对金属进行切削加工；木工机床，用于对木材进行切削加工；特种加工机床，用物理、化学等方法对工件进行特种加工,锻压机械。狭义的机床仅指使用的最广泛、数量最多的金
3、属切削机床。金属切削机床的分类:（1）按加工方式或加工对象可分为车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、花键加工机床、铣床、刨床、插床、拉床、特种加工机床、锯床和刻线机等。每类中又按其结构或加工对象分为若干组，每组中又分为若干型。（2）按工件大小和机床重量可分为仪表机床、中小型机床、大型机床、重型机床和超重型机床；按加工精度可分为普通精度机床、精密机床和高精度机床；按自动化程度可分为手动操作机床、半自动机床和自动机床；按机床的自动控制方式，可分为仿形机床、程序控制机床、数字控制机床、适应控制机床、加工中心和柔性制造系统；按机床的适用范围，又可分为通用、专门化和专用机床。专用机床中有
4、一种以标准的通用部件为基础，配以少量按工件特定形状或加工工艺设计的专用部件组成的自动或半自动机床，称为组合机床。1.2.2 刨床简介刨床是用刨刀对加工工件的平面、沟槽或成形表面进行刨削的机床。用刨床刨削窄长表面时具有较高的效率，它适用于中小批量生产和维修车间。刨床主要有牛头刨床、龙门刨床和单臂刨床。常用的专门刨床有刨边机和刨模机等。牛头刨床是由滑枕带着刀架作直线往复运动；龙门刨床由工作台带着工件通过龙门框架作直线往复运动；单臂刨床与龙门刨床的区别是只有一个立柱，故适用于宽度较大而又不需在整个宽度上加工的工件；刨边机是利用置于床身侧面溜板上的刀架作直线往复运动，以刨削大钢板的边缘部分；刨模机主要
5、用于刨削冲头和复杂形状的工件，其特点是刀具在刨削行程的终端，可摆动一个弧度而实现退刀。国内外各型号的龙门刨床虽机械结构、规格及性能指标差异过大，但电气原理大同小异。刨床结构：各类刨床通常由下列基本部分组成：支承部件，用于安装和支承其他部件和工件，承受其重量和切削力，如床身和立柱等；变速机构，用于改变主运动的速度；进给机构，用于改变进给量；主轴箱用以安装机床主轴；刀架、刀库；控制和操纵系统；润滑系统；冷却系统等。刨床的工作: 刨床的切削加工是由刀具与工件之间的相对运动来实现的，其运动可分为主运动、进给运动和辅助运动。主运动是从工件毛坯上剥离多余材料时起主要作用的运动，它是工件的直线运动(如在龙门
6、刨床上刨削)；进给运动是刀具和工件待加工部分相向移动，使切削得以继续进行的运动，辅助运动主要包括是横梁的上下移动及刀架沿横梁的左右移动，以及侧刀架在立柱上的上下往复运动等。性能评价：评价刨床技术性能的指标最终可归结为加工精度和生产效率。加工精度包括被加工工件的尺寸精度、形状精度、位置精度、表面质量和刨床的精度保持性。生产效率涉及切削加工时间和辅助时间，以及刨床的自动化程度和工作可靠性。这些指标一方面取决于刨床的静态特性，如静态几何精度和刚度；而另一方面与刨床的动态特性，如运动精度、动刚度、热变形和噪声等关系更大。发展趋势：进一步应用电子计算机技术、新型伺服驱动元件、光栅和光导纤维等新技术，简化
7、机械结构，提高和扩大自动化工作的功能，提高功率主运动和进给运动的速度，相应提高结构的动、静刚度以适应采用新型刀具的需要，提高切削效率；提高加工精度并发展超精密加工刨床，以适应电子机械、航天新兴工业的需要。1.2.3 数控刨床的构成与发展趋势 刨床从普通刨床到数控刨床，这是发展的必然趋势。本课题正是用数字信号处理器（DSP）作为主控制器。数控刨床的构成： 图1-1 数控刨床的组成数控刨床有三大组成部分：伺服系统、数控系统、刨床本体。伺服系统是连接数控系统（CNC）和刨床（主机）的关键部件，它接受来自数控系统的指令，经过放大和转换，驱动数控刨床上的执行件（工作台或刀架），实现预期的运动，并将运动结
8、果反馈回去与输入指令相比较，直至与输入指令之差为零，刨床精确的运动到所要求的位置。伺服系统的性能直接关系到数控刨床执行件的静态和动态特性、工作精度、过载能力、响应快慢和稳定程度等。伺服系统是一种自动控制系统，其中包括功率放大和反馈，从而使得输出变量的值紧密的响应输入量的值。伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成，驱动控制单元和驱动元件组成伺服系统，机械传动部件和执行件组成机械传动系统。现在驱动元件主要是各种电机。小型和经济型数控机床上使用步进电机，中高档数控刨床可采用直流伺服电机和交流伺服电机，开关磁阻电机调速系统在此领域也显示出其卓越的性能。伺服系统是
9、一种反馈控制系统，以指令脉冲为输入给定值，与输出量进行比较，利用偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使输出量紧密跟踪给定值。所以伺服系统的运动来源于偏差信号，必须具有负反馈回路，系统始终处于过渡过程状态。系统在运动过程中实现了力的放大，所以伺服系统必须有一个不断输入能量的能源，外加负载可视为系统的扰动输入。数控技术的优点：（1）数控刨床是一种高度自动化、高效率、高精度的刨床；（2）加工零件的一致性好，加工精度高，加工质量稳定；（3）能够加工很多普通刨床难以完成的零件；（4）生产率高。现代数控技术集机械制造技术，计算机技术，成组技术与现代控制技术，传感检测技术，信息处理技术，网络通讯技术，液压
10、气动技术，光机电技术于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大变化。现代机械工业逐步向柔性化，集成化，智能化方向发展，机械制造的竟争，其实质是数控的竟争。1.2.4 龙门刨床驱动系统的特点1、适于频繁起、制动和正反转转换，且起制动过程平稳快捷, 并能在一个工作行程中，根据加工的要求，自动而平稳地变换速度。2、其静差率要求高，从空载到突然吃刀加载引起的动态速降不大于3%，且短时过载能力强。3、调速范围宽，适应低速、中速刨削和高速返程的需要。4、工作稳定性好，往返行程折返位置准确。5、主驱动的控制系统应能保证电动机在任一速度情况下转向时，冲击电
11、流能限制在允许值内。6、 电机在最大转速下换向时，刨床工作台冲过的距离不超过7cm9cm，并要求能较强烈的紧急制动。1.2.5 目前各种龙门刨床驱动系统的比较3龙门刨床的负载是非常典型的，它是一惯性负载，在龙门框架内作直线往复运动，所以要求换向性能好。 目前国内外龙门刨床采用的主要有四种形式：直流发电机-直流电动机系统（F-D）、晶闸管-直流电动机系统（SCR-D）、交流电动机-电磁离合器系统（I-C）和交流电动机-变频器系统(BF)。1、直流发电机-直流电动机系统有良好的控制性能，在刨床上大量采用，但其设备庞大、价格昂贵，且效率较低。2、晶闸管-直流电动机系统为实现可逆运行，使电路复杂程度大
12、大增加，工作可靠性降低，价格也较高。3、交流电动机-电磁离合器系统依靠电磁离合器实现正反转，离合器磨损严重，工作稳定性不好，且不便调速，仅限用于轻型刨床。4、交流电动机-变频器系统，调速性能较好，但也存在一些缺点： 1）起动转矩小，起动不够快；2）制动转矩小，停车越位过大；3）吃刀时速降大，甚至停车。由上面分析可知，目前各种龙门刨床驱动系统都有一些缺点。1.3开关磁阻电机调速系统的优点 4561.3.1 开关磁阻电机简介描述开关磁阻电动机的精确术语为：静态换相双凸极微调磁阻电动机，英文名称为：Statically Commutated Doubly-Salient Vernier Reluct
13、ance Motor,简称SRM。其它称法有：开关磁阻电动机、无刷磁阻电动机、可变磁阻电动机、换相磁阻电动机等。开关磁阻电机的发展历史磁阻电机是一种具有悠久历史的电机，它诞生于160年前，但它一直被认为是一种性能（效率、功率因数、利用系数等）不高的电机，故只应用于小功率范围。经过近20年的研究和改进，磁阻式电机的性能不断提高，目前已能在较大的功率范围内使其性能不低于其他型式的电机。七十年代初，美国福特公司研制出最早的开关磁阻电动机调速系统。其结构为轴向气隙电动机、具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，适合于蓄电池供电的电动车辆的传动。七十年代中期，英国Leeds大学和Nottingh
14、am大学，共同研制以电动车辆为目标的开关磁阻电动机调速系统。他们研制的样机容量从10W至50KW，转速从750r/min至10000 r/min，其系统效率和电动机利用系数等主要指标达到或超过了传统传动系统。随后成立了开关磁阻电动机调速系统公司，以经营其研究成果。1981年英国TASC公司获准制造该系统，并于1983年推出了商品名为Oulton的通用调速系列产品，问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视，美国、加拿大、南斯拉夫等国竞相发展，并在系统的一体化设计、电动机的电磁分析、微机的应用、功率元件的应用、新型结构型式的开发等方面取得进展。我国于1984年左右也以较高的起点开始SRD的研究、开发
15、工作，1992年初成立了中国电工技术学会中小型电机专业委员会下设的开关磁阻电机学组，以推动开关磁阻电机研究工作的进一步发展。现在，国内对开关磁阻电机接受和感兴趣的程度逐年上升，形成理论研究与实际应用并重的发展态势。目前SRD系统的研究主要涉及以下几个方面： 1、 SRM参数的确定，主要是磁链曲线的测量和计算；2、 性能的精确估算，包括整个系统稳态和动态性能的数字仿真；3、 SRD系统的优化，包括从电动机的设计和控制器软、硬件两方面来提高系统效率、降低噪音和转矩脉动；4、 无位置传感器的SRD系统的研制，位置闭环控制是开关磁阻电动机的基本特征，但它的存在会使电机结构简单的优点变得逊色，降低了可靠
16、性。为此探索实用的无位置检测器方案是十分引人注目的课题；3、 变换器方案和主开关元件选择；6、 微处理器和专用集成电路的应用，主要是根据不同的控制方案选择合适的微处理器以及控制电路的ASIC设计；7、 高速开关磁阻电动机产品开发；8、 振动、噪声研究；9、 铁损耗分析与效率研究。1.3.2 开关磁阻电机调速系统简介开关磁阻电机调速系统（Switched Reluctance Drive 简称SRD），主要由开关磁阻电机（SRM）、功率变换器、控制器和角位移传感器（位置检测）四部分组成。如下图所示:三相交流电功率变换器SRM外部给定微机控制器电流检测位置检测负载图1-2 SRD系统组成开关磁阻电
17、机是通过电子电路轮流接通和断开各相绕组使电机旋转的磁阻式电动机。其上装有转子位置传感器，可用类似于无刷直流电动机的工作方法进行控制。可以调速，因绕组为单方向通电，其电子电路简单可靠。由于电机转子上无绕组，是用矽钢片成型叠成，定子上为集中绕组，很容易做到散热，易于密封，电机坚固耐用，可靠性高；具有较高的效率、小的起动电流和大的起动转矩；起动、运行平滑，稳定；已成功地应用于生产实际中，取得了满意的效果，完善了不同用途控制系统及电机的设计，可以系列化生产。1.3.3开关磁阻电机的控制模式SR电机的控制模式是指对电机的各种参数进行控制及如何进行控制，使电机达到规定的工况（如规定的转速、转矩），并使其保
18、持较高的性能指标。SR电机的可控变量一般有施加于相绕组两端的电压，相电流I、开通角和关断角等。根据控制变量的不同方式，常用的控制模式：电流斩波控制(Chopped Current Control简称CCC)、角度位置控制(Angular Position Control简称APC)和电压斩波控制。1、电流斩波控制电机低速运行时,不变，反电势较小,电流变化率大，为避免电流上升过快，超过功率开关和电机允许的最大电流,可以采用斩波方法限制电流。电流斩波实现：限制电流上、下限值，可用硬件实现。 2、角度位置控制电机较高速运行时,反电势足以抑制电流上升,角度位置控制就是电压保持不变，通过改变开通角和关断
19、角两个控制参数来调节电机转速， 角度调节的关键在于将角度量转化为相应速度的可控量，同时应兼顾到精度要求及控制复杂性。由于导通角的增大是有极限的,一般不超过半个极距,亦即电源电压,所对应的运行角速度是APC方式的上限值,没有进一步调节的余地,这时SRM将回复到对应于时的自然机械特性上运行。可见，开关磁阻电机控制变量有电源电压，开通角、关断角，在上述两个区域内分别采用不同的控制方法，即CCC方式和APC方式，便能得到满足不同要求的机械特性，这充分表明SRM具有优良的调速性能。3、电压斩波控制在导通区间内，使功率开关按PWM方式工作。其脉冲周期T（T=T1+T2）固定，占空比T1/ T可调。在T1内
20、，绕组加正电压，T2内加零电压或反电压。改变占空比，则绕组电压的平均值变化，绕组电流也相应变化，从而实现转速和转矩的调节，这就是电压斩波控制。与电流斩波控制方式类似，提高脉冲频率，则电流波形比较平滑，电机出力增大，噪声减小，但功率开关元件的工作频率增大。调节绕组外施电压的方法有以下三种：1） 直流侧PWM斩波调压对于采用不可控整流电路的系统，整流电压近似恒定，因此，可直接在回路串联一支开关管，用PWM信号控制开关管的通断。根据转速要求，调节PWM信号的占空比，从而调节电机绕组的平均供电电压，实现调速目的。由于开通角可以保持不变，因此控制简单，较易实现。但各项共接于电源端，公共开关会影响各相的工
21、作状态，通过选择适宜的占空比来保证要求。2）开关斩波调压相开关斩波调压就是直流电压保持不变，用PWM信号直接控制相开关的通断，从而调节施加于绕组上的有效电压。与直流侧PWM斩波调压的控制模式相比，不需要额外增加开关管，而且，各相独立控制，换相不受影响。但是，每相开关器件均工作于高频斩波状态，开关损耗较大。3）可控整流调压系统的整流侧采用可控整流电路，通过调节整流电压可以响应电机转速要求。与以上方式通过PWM斩波限定电流不同，由于可预先调节直流电压，因此，不需要PWM斩波控制。在整个调速范围内，只有一个运行模式，即单脉冲方式，减少开关损耗，但是控制电路复杂。4、各控制模式的特点1）角度控制的特点
22、（1）转矩调节范围大；（2）同时导通相数可变；（3）电动机效率高；（4）不适用于低速。2）电流斩波控制的特点（1）适用于低速和制动运行；（2）转矩平稳；（3）适合用于转矩调节系统；（4）用作调速系统时抗负载扰动性的动态响应慢。3）电压斩波控制的特点电压斩波控制是通过PWM方式调节绕组电压平均值，间接调节和限制过大的绕组电流，既能用于高速运行，又适合于低速运行。其它特点则与电流斩波控制方式相反，适合于转速调节系统，抗负载扰动的动态响应快，缺点是低速运行时转矩脉动较大。与采用角度斩波控制的SRD相比，采用固定导通角PWM控制的SRD，其相电流峰值较高，系统效率也没有前者高。变导通角PWM控制是将固
23、定导通角PWM控制与角度位置控制相结合的SRD调速控制策略。一方面，它用PWM信号对功率变换器主开关触发信号实施调制；另一方面，在不同的转速段，分别采用不同的主开关开通角和关断角。 对几何尺寸一定的开关磁阻电机，一般定义在外施电压和允许的最大磁链,即最大电流条件下电机能获得的最大转矩的最高转速为“基速” 。在基速以上,由于电压不能再增加,而开关角受相周期限制，因此存在获得最大功率的最高转速,有的文献定义为“第二临界转速” 。转速低于时，SR电机采用CCC控制。此时，电机的开通角固定在电机效率最高或转矩脉动最小的位置。通过调节斩波电流上限值使SR电机保持恒转矩特性。当转速高于时，为了得到较大的电
24、磁转矩，须增大导通角。为此采用角度控制。调整开通角的大小，使电机具有恒功率输出特性。当转速高于。导通角增大到一定值后，就不能再增加了。这时SR电机的导通角保持在最大值，电机具有类似串励直流机的特性。因而开关磁阻电机宽范围的调速特性可以通过简单地改变控制模式而得到。图1-3是SR电机的转矩转速特性，它与异步电机变频调速系统的特性相一致。由于控制灵活，很容易改变转矩转速特性的曲线，以适应不同负载的要求。恒转矩区恒功率区串励特性区CCC方式APC方式C=r/2T0bsc图1-3 转矩转速特性1.3.4 开关磁阻电机调速系统的主要技术特点1、电动机结构简单、成本低、适用于高速。开关磁阻电动机的结构比通
25、常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单。其突出的优点是转子上没有任何形式的绕组，因此不会有鼠笼感应电动机制造过程中鼠笼铸造不良和使用中的断条等问题。其转子机械强度极高，可以用于超高速运转（如每分钟1万转）。在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便，绝缘容易。 2、功率电路简单可靠。因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。对比感应电动机绕组需流过双向电流，向其供电的PWM变频器中功率电路每相需两个功率元件。因此开关磁阻电动机调速系统较PWM变频器功率电路中所需的功率元件少，电路结构简单。另外，PWM变频器功率电路中每桥臂两个功率开关直接
26、跨在直流电源侧，易发生直通短路烧毁功率元件的情况。而开关磁阻电动机调速系统中每个功率开关元件均直接与电动机绕组相串联，从根本上避免了直通短路现象。因此开关磁阻电动机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，既降低了成本，又具有高的工作可靠性。 3、各相独立工作，可构成极高可靠性系统。从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个旋转磁场，电动机才能正常运转。从控制器结构上看，各相电路各自给一相绕组供电，一般也是相互独立工作。由此可知，当电动机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相工作，电动机除总
27、输出功率能力有所减少外，并无其它妨碍。由此看出该系统可构成可靠性极高的系统，可以适用于宇航等特殊场合。 4、高起动转矩，低起动电流。控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是该系统的一大特点。典型产品的数据是：起动电流为15额定电流时获得起动转矩为100的额定转矩；起动电流为额定值的30时，起动转矩可达其额定值的150。而对比其它调速系统的起动特性，如直流电动机为100电流，获得100的转矩；鼠笼感应电动机为300的电流，获得100的转矩。起动电流小转矩大的优点还可以延伸到低速运行段，因此该系统十分适合那些需要重载起动和较长时低速重载运行的机械，如电动车辆等。电机的起动电流小（
28、为额定值的30），对电网无冲击，起动转矩大（为额定值的150），故适合于频繁起动，每小时不少于1000次（现场实测曾达每分钟39次）。 5、适用于频繁起停及正反向转换运行。该系统具有的高起动转矩，低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。可控参数多使其能在制动运行阶段同电动运行阶段一样具有同样优良的转矩输出能力和工作特性。二者综合作用的结果必然使之适用于频繁起停及正反向转换运行，次数可达1000次/小时。这类生产机械有龙门刨床、铣床、冶金行业可逆轧机、飞锯、飞剪等。 6、可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种：相
29、开通角，相关断角，相电流幅值，相绕组电压。可控参数多，意味着控制灵活方便。可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，即可使其运行于最佳状态（如出力最大、效率最高等），还可使其实现各种不同的功能和特定的特性曲线。如使电动机具有完全相同的四象限运行（即正转、反转、电动、制动）能力，并具有高起动转矩和串级电动机的负载能力曲线。 7、效率高，损耗小。该系统是一种比较高效的调速系统。这是因为一方面电动机转子不存在绕组铜损，另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化的控制。其电机效率在很宽范围内都在90以上，这是其它一些调速系统不容易达到的。将该
30、系统同PWM变频器带鼠笼感应电动机的系统进行比较，额定工作点的效率比变频器系统一般要高5个百分点左右，在不同转速和不同负载下的效率比变频器系统高得更多。 8、可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。9、制动转矩大（不小于额定转矩），故换向时越位小，可提高加工效率。 10、SRD具有多种自保护功能，可靠性高。且动态响应快，转速闭环控制。SRD良好的调速性能、宽广的调速范围、以较小的起动电流获得较大的起动转矩、对称的四象限运行特性等一系列突出的优点，显然对于满足龙门刨床主驱动的苛刻的技术要求提供了完全的可行性。1.4 课题的研究意义及主要内容1.4.1 课题的研究意义3龙门刨床目前使用的多
31、为直流电动机调速系统，必然存在换向器和电刷。国内大量以直流机组为主拖动系统的刨床，使用到现在大多处于严重老化的状态：电机磨损严重，高速重载时电刷上火花较大，故障频繁，直接影响正常的生产，且设备庞大，耗电多，因此急需用一种新型的调速装置来进行替换。交流电动机-变频器系统（BF），调速性能较好，但也存在一些缺点，如起动电流较大，起动转矩小等。开关磁阻电机的起动电流小（为额定值的30%），对电网无冲击，起动转矩大（为额定值的150%），故适合于频繁起动，制动转矩大（不小于额定转矩），响应快，系统具有多种自保护功能，可靠性高，与直流机组相比，结构简单，维护工作量小。采用开关磁阻电动机调速系统用于龙门刨
32、床这一类设备，无论在系统静、动态性能的满足程度上、可靠性及性能价格比上，均比其它调速系统占有较大的优势。所以本课题的研究有着非常重要的现实意义。1.4.2 课题研究的主要内容本论文主要论述以下几方面： 1、本文针对龙门刨床的实际工作状况，分析负载的特性，确定系统的控制策略；2、基于Motorola DSP56F803设计开关磁阻电动机调速系统的控制器，包括硬件电路和相关软件；3、根据龙门刨床系统的控制要求，编写、调试控制软件，控制样机能在各种状态下正、反两个方向稳定运行，并能有较好的稳态和动态性能；4、采集龙门刨床开关磁阻电动机调速系统绕组电流波形及在各种状态下的转速曲线，并对曲线进行分析。第
33、2章 龙门刨床驱动控制系统的设计 2.1 龙门刨床驱动控制系统设计分析 2.1.1龙门刨床的基本结构7 龙门刨床的基本结构如下图所示： 图2-1 大型龙门刨床结构示意图主要有七部分组成1、 床身：是一个箱形体，其上有V形和U形导轨,在起点和终点各有一个行程开关。2、 工作台：工作台俗称刨台，用于安置工件，下面有齿条与传动机构齿轮相啮合，可作往复运动。3、 横梁：用于安置垂直刀架，加工时严禁动作，只在更换工件时才移动，以调整刀架的高度。4、 左右垂直刀架：可沿横梁导轨在垂直方向或沿刀架本身的滑板导轨在垂直方向作快速移动或工作进给。5、 左右侧刀架及进给箱：沿立柱导轨上下快速移动或自动进给。6、
34、立柱。7、 龙门顶。2.1.2龙门刨床的工作特点71、 龙门刨床在进行刨削加工时，其主运动是工作台的直线往复运动，进给运动是刀具垂直于主运动的位移，辅助运动有横梁的夹紧、放松及升降运动等。1)工作过程：龙门刨床的刨削过程是工件与刨刀作相对运动的过程，因此工作台与工件须频繁的进行往复运动，工件的切削加工仅在工作行程内进行，而返回行程只作空运转。在切削过程中没有进给运动，只在工作台返回行程转到工作行程的期间内刀架才位移一定的距离。2)主运动：龙门刨床的主运动是工作台和工件的纵向往复运动。3)辅助运动：是横梁的上下移动及刀架沿横梁的左右移动，以及侧刀架在立柱上的上下往复运动。2、 主运动的工作特点1
35、）运行速度图 图2-2大型龙门刨床运行速度图2) 各时间段的工况0-T1:工作台前进起动阶段；T1-T2:刀具慢速切入阶段；T2-T3:加速至稳定工作速度阶段；T3-T4:稳定工作速度阶段；T4-T5:减速退出工作阶段；T5-T6:制动到后退工作阶段；T6-T7:后退稳定速度阶段；T7-T8:后退减速阶段；T8-T9:后退制动阶段； 3）说明 刀具进入工件之前减速的目的，是为了防止因撞击而崩坏工件，亦为了减小刀具在进入工件时所承受的冲击，延长刀具的使用寿命，称为慢速切入，进入工件后再加速到规定的切削速度；离开工件之前减速的目的，是为了防止工件边缘的崩裂。返回过程不切削工件，为提高生产率，返回时
36、直接加速到高速返回速度，为了减小反向时因冲力过大而引起的越位和对传动机构的冲击，还要求有一个减速过程。2.1.3龙门刨床的负载特性主拖动系统的负荷性质如图2-3所示，图2-3 龙门刨床主拖的负荷性质图1、 V2以下是等切削力区，负荷具有恒转矩性质；2、 V2以上，负荷具有恒功率性质。Fm表示最大切削力，Pm表示最大切削功率，V表示切削速度，V2为对应于最大转矩时的最高速度，在0V2范围内要求恒转矩调速，在V2V3范围内要求恒功率调速。V2一般可设为25m/min。由图2-3可知，龙门刨床的负载F特点是起始阶段和低速阶段切削力F恒定；高速阶段切削力F与切削速度V成反比，切削功率P恒定。在实际的生
37、产过程中，龙门刨床的负载是惯性负载；龙门刨床的控制不仅是一个调速系统，而且是位置反馈控制系统。龙门刨床的底座上安有两个行程开关，分别位于起点和终点，给系统反馈位置信号。调速系统和位置随动系统都是反馈系统，即通过对系统的输出量和给定量进行比较，组成闭环控制，因此两者的控制原理相同。对龙门刨床来说，主运动（直线往复运动）速度不仅直接影响到加工零件的粗糙度和精度，而且与刀具、刨床的寿命和生产效率密切相关。对不同材料零件的加工，需根据切削量、粗糙度和精度的要求，选择合适的进给速度，数控系统应能提供足够的速度范围和灵活的指定方法。在加工过程中，因为可能发生事先不能确定或意外的情况，还应当考虑能手动调节进
38、给速度功能。此外，当速度高于一定值时，在起动和停止阶段，为防止产生冲击、超程、振荡，保证运动平稳和准确定位，还要有加减速控制功能。2.1.4龙门刨床对电力拖动的要求在分析龙门刨床的自动控制系统之前，了解该机床切削时的工艺特点，明确对电力拖动的要求，是十分必要的。1、调速范围：龙门刨床工作时要求能适应不同的切削刀具，还要具有经济的切削速度，因此要求拖动系统具有一定的调速范围。主拖动系统采用开关磁阻电机调速系统，可加一级机械变速，从而保证工作台的调速范围达1：20，工作台的速度为660m/min,在此范围内，能实现无级调速，以便使用时可选择最合理的切削速度。2、静差率：在实际加工过程中，由于工件表
39、面不平及材料不均匀度的影响，会导致切削力的变动，为保证工作台速度不致因切削力的变动而变化太大，以便保证加工精度，所以要求系统的静差率一般为510%。3、工作台的往复运动能适应切削工艺要求：能自动进行往复运动，在切削速度较高时，为减小刀具切入工件时的冲击，应使刀具慢速切入工件，而后增加到规定的速度；在工作台前进与返回行程的末尾，工作台能自动减速，以保证刀具慢速离开工件，防止工件边缘破裂，同时可减小工作台反向时的冲程和对电机和机械的冲击。4、调速方案能满足负载性质的要求：一般认为25m/min以下是等切削力区，希望系统输出转矩恒定；25m/min以上希望功率恒定。5、工作台正反向过渡过程要快，工作
40、台运行要稳定。6、满足刀架运动的要求。7、设置必要的联锁。8、系统的机械特性应具有下垂的特性：当负荷过大时，应使电机转速迅速下降，直至停止，从而达到保护电机和机械的目的。转速电流双闭环调速系统的优点：调速性能好；过渡过程短暂，起动快，稳定性好；能获得较为理想的“挖土机特性”；抗干扰能力强；两个调节器可分别调整，先调电流环，再调转速环。本系统需加一位置环，共形成三环控制系统。2.2开关磁阻电机的数学模型分析及其控制方法2.2.1开关磁阻电机的数学模型分析4建立开关磁阻电机数学模型，通常有以下三种方法：线性模型、准线性模型(分段线性模型)和非线性模型。线性模型忽略了饱和及边缘效应，认为绕组电感与电
41、流无关。准线性模型将磁化曲线分段线性化，近似考虑定转子齿极重叠时的饱和。以上两种模型，电感参数有解析表达式，用于求解电机性能时，电流和转矩有解析解，一般用于定性分析。事实上，由于电机的双凸极结构和磁路的饱和、涡流和磁滞效应所产生的非线性，加上电机运行期间的开关性和可控性，在电机运行期间绕组电感不是常数，而是电流和转子位置角的函数。开关磁阻电机定子绕组的电流、磁链等参数随着转子位置不同而变化的规律是很复杂的，难以用简单的解析表达式来表示，因此很难建立一精确可解的数学模型。 为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分，并设开关磁阻电机的相数为m，各相结构和参数对称。设p =1,m相的电压、磁链、电阻和电流及
42、转矩分别为、，转子位置角为，转速为。1、电压方程根据能量守恒定律和电磁感应定律，施加在各定子绕组端的电压等于电阻压降和因磁链变化而产生的感应电势作用之和，第p相绕组电压方程： (2-1)2、磁链方程各相绕组磁链为该相电流与自感、其余各相电流与互感以及转子位置角的函数： (2-2)由于开关磁阻电机各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于计算，在开关磁阻电机的计算中一般忽略相间互感，不考虑两相以上电流导通时定、转子轭部饱和在各相之间产生的相互影响，这时磁链方程可近似成： (2-3)3、转矩方程根据机电能量转换原理，开关磁阻电机的电磁转矩表示为磁共能对转子位置增加的速率 (2-4)电机的合成转矩由各
43、相转矩叠加而成 (2-5)4、机械运动方程其中，J、B、T1分别为转动惯量、粘滞系数及负载转矩。 (2-6) (2-7)数学模型的求解方法上述数学模型由于其严重的非线性，不可能得出解析解。因此，在求解数学模型时不得不在实用和理想之间寻求一种折衷的处理方法。到目前为止，人们针对磁链的变化，采用了以下几种方法建立模型：1、理想线性模型若不计电机磁路饱和的影响，假定相绕组的电感与电流的大小无关，且不考虑磁场边缘扩散效应，可采用开关磁阻电机的理想线性模型将磁链近似为电流的线性函数，这种方法可了解电机工作的基本特性和各参数间的相互关系，并可作为深入探讨各种控制方式的依据，但求解的误差较大，精度较低。2、
44、准线性模型因为磁链的饱和区和非饱和区有不同的线性变化率，为了近似地考虑磁路的饱和效应、边缘效应，可将实际的非线性磁化曲线分段线性化，同时不考虑相间耦合效应，这样可以用解析式来表示每段磁化曲线。可将-I曲线分为两段(线性区和饱和区)或三段(线性区、低饱和区和高饱和区)。3、非线性函数拟合模型将磁链用一非线性函数近似拟合，函数的选取决定拟合的精确度。4、查表法该方法是把实测或计算所得的等角度、等电流间隔的电机磁链特性数据(i,)反演为等角度、等磁链间隔的电流特性数据i(,)，连同矩角特性数据T(i,)以表格形式存入计算机中，然后用查表法数值求解非线性模型，这种方法较为直接、也较为精确，既可用于稳态
45、分析，也可用于解瞬态问题。开关磁阻电机的线性模型在忽略电动机磁路饱和的影响,且假定相绕组的电感与电流的大小无关的情况下，即绕组电感是转子位置的分段线性函数时，则可推出SR电机的线性数学模型。绕组电感由于开关磁阻电动机的电磁转矩是磁阻性质的，又是双凸极结构，其磁路是非线性的，加上运行时的开关性和可控性，使电动机内部的电磁关系十分复杂。为弄清电机内部的基本电磁关系，有必要从简化的线性模型，也就是上节所说的理想线性模型开始进行分析研究，所得到的相绕组电感随转子位置角周期性变化的规律可用图2-4说明。图2-4，它的基准点即坐标原点=0的位置，对应于定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置，这时相电感为最小
46、值。在 (为转子磁极的前沿与定子磁极的后沿相遇的位置)区域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最小值不变，这是因为开关磁阻电机的转子槽宽通常大于定子极弧，所以当定子凸极对着转子槽时，便有一段定子极与转子槽之间的磁阻恒为最大并不随转子位置变化的最小电感常数区；转子系系 2-4 电感与转子位置角的关系转过后，相电感便开始线性地上升直到为止，系转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重叠处，这时定转子磁极全部重叠，相电感变为最大值；基于电机综合性能的考虑，转子极弧通常要求大于定子极弧，因此在 (为转子磁极的后沿与定子磁极的后沿相遇的位置)区域内，定转子磁极保持全部重叠，相应的定转子凸极间磁阻恒为最小值，相电感保持在最大值；从相电感开始线性地下降，直到处降为，、均为转子磁极后沿与定子磁极前沿重合处。如此周而复始，往复循环。开关磁阻电机基于线性模型的绕组电感的分段线性解析式为 (2-8)定子磁极极弧。 绕组电流当开关磁阻电机由恒压直流电源供电时，在绕组电感仅是转子位置的线性函数的假设和忽略绕组电阻影响的情况下，由式(2-1)得 (2-9)将代入上式，得 (2-10)由初始条件及式（2-8），求解微分方程（2-10）可得
