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電主軸定子電阻特性分析

文檔作者：張麗秀，劉曉輝，吳玉厚文檔來源：沈陽建筑大學(xué)交通與機(jī)械工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年11月24日
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第25卷第5期機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與糾嶄V01．25，No．5
2012年9月Development＆Innovation of Machinery＆Electrical Products Sep．．2012
文章編號(hào)：1002—6673(2012)05一162—03
電主軸定子電阻特性分析
張麗秀，劉曉輝，吳玉厚
(沈陽建筑大學(xué)交通與機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110168)
摘要：影響定子電阻變化的因素有溫度、運(yùn)行頻率、定子電流，負(fù)載。找到定子電阻隨著這些因素的變
化規(guī)律，有利于找到精確的定子電阻辨識(shí)方法，從而提高電主軸控制系統(tǒng)的精度及可靠性。論文
用實(shí)驗(yàn)的方法采集空載和加栽時(shí)溫度、頻率、定子電流及定子電阻數(shù)據(jù)。通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析
得出，空載時(shí)，定子電阻隨溫度、定子電流、頻率的變化呈非線性變化。加載時(shí)，定子電流隨著
載荷的增大線性增大，加載實(shí)驗(yàn)后期定子電阻隨著載荷的增大線性增大。
關(guān)鍵詞：定子電阻；定子電流；溫度；運(yùn)行頻率：負(fù)載
中圖分類號(hào)：TM355 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10．3969／j．issn．1002—6673．2012．05．065
Stator Resistance Characteristic Analysis of Electric Spindle
ZHANG Li-Xiu，LIU Xiao—Hui，WU Yu—Hou
(Traffic&amp;amp;Mechanical Engineering School，Shenyang Jianzhu University，Shenyang Liaoning 1 10168，China)
Abstract：The main factors that influence the changing of stator resistance are temperature，operating frequency，stator current，load size．Find—
ing the mle that stator resistance variation with the factors is benefit to find the accurate identification method of stator resistance，SO as to im—
prove the precision and rehability of electric spindle control system．In this paper，the data of temperature，frequency，stator current and stator
resistance under the condition with load and without load are respectively collected by experimental method．Processing and analysis the data
obtained，the rules of stator resistance changing with temperature，stator current，frequency are non—finear without load．And stator resistance
increases linearly with the load increasing at the end of the experiment widl load．
Key words：stator resistance；stator current；temperature；frequency；load
0引言
電主軸是高速加工機(jī)床的核心功能部件．它的性能
直接決定了機(jī)床的超高速加工性能。其關(guān)鍵技術(shù)之
一——運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，有三種模式。分別為V／f模式、
矢量控制模式和直接轉(zhuǎn)矩控制模式。在矢量控制和直接
轉(zhuǎn)矩控制中，定子電阻的變化對(duì)控制結(jié)果的影響較大。
特別是對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制，直接轉(zhuǎn)矩控制需要對(duì)定子磁鏈
和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估計(jì)，且定子磁鏈的估計(jì)精度是影響其高性
能控制的關(guān)鍵因素。如果采用電壓積分法估計(jì)定子磁
鏈，那么在整個(gè)控制中唯一用到的電機(jī)參數(shù)就是定子電
阻，而當(dāng)定子頻率較低時(shí)，的變化對(duì)磁鏈的估計(jì)結(jié)果影
響很大，從而直接影響對(duì)轉(zhuǎn)矩估計(jì)的準(zhǔn)確性【1]。
收稿日期：2012—07—13
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50975182)
作者簡介：張麗秀(1970-)，女，博士，副教授；劉曉輝
(1986一)，女，碩士研究生。
162
溫升是引起定子電阻變化的主要因素，數(shù)控機(jī)床電
主軸在運(yùn)動(dòng)控制中的工況總是在不斷調(diào)整中。因此電機(jī)
損耗也是不斷變化的．由此引起的電主軸溫升及定子電
阻也不斷變化。所以有必要尋找定子電阻的變化規(guī)律，
以便找到精確的定子電阻辨識(shí)方法，提高電主軸直接轉(zhuǎn)
矩控制系統(tǒng)的精度及可靠性。年曉紅、張超定量分析定
子電阻變化對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)三種基本定子磁鏈觀測(cè)
模型及電磁轉(zhuǎn)矩的影響，指出了研究定子電阻變化對(duì)無
速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)影響的必要性[21；丁惜瀛詳
細(xì)分析了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)低頻脈動(dòng)的產(chǎn)生原因，解析
了電機(jī)溫升引起的定子電阻變化對(duì)定子磁鏈的估計(jì)精度
的影響翻：Rahman M．F．，Lim K．W．等人分析了定子電阻對(duì)
定子磁鏈的影響．并提出了用模糊觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)定子電阻
的在線觀測(cè)【4】。
文章利用精度為0．1％的LCR一821測(cè)試儀、精度達(dá)
0．5％的TC一2008多路溫度測(cè)試儀以及測(cè)功機(jī)做了空載和
加載實(shí)驗(yàn)．讀取150MDl829電主軸定子電阻、電流及
其外殼溫度數(shù)值；用Matlab工具將這些數(shù)據(jù)繪制成三維
萬方數(shù)據(jù)
·數(shù)控機(jī)床世界·
圖形，觀察和分析這些因素對(duì)定子電阻的影響。
1影響定子電阻的因素
影響電主軸定子電阻大小及變化的因素主要有兩方
面，最基本的是電主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)；另一方面在結(jié)構(gòu)參數(shù)
確定時(shí)，與實(shí)際運(yùn)行工況環(huán)境有直接關(guān)系：
(1)電主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)定子電阻的影響。首先從定子
電阻的計(jì)算公式人手，分析電主軸定子電阻的影響因
素。根據(jù)文獻(xiàn)【5】，感應(yīng)電機(jī)定子繞組每相電阻可以根據(jù)
如下公式計(jì)算：
阽K卸。，，N警， (1)：
^口Ial
式中：N。一每相串聯(lián)的匝數(shù)；f．一線圈半匝平均長
度；A。。一導(dǎo)體的截面積；al一相繞組的并聯(lián)支路數(shù)；
p廠基準(zhǔn)工作溫度的導(dǎo)體的電阻率；K卜電阻增加系數(shù)。
從式(1)可知，電主軸定子電阻除與每相串聯(lián)的匝
數(shù)、線圈半匝平均長度、導(dǎo)體的截面積、相繞組的并聯(lián)1
支路數(shù)以及導(dǎo)體的電阻率有關(guān)外．電主軸內(nèi)部電機(jī)的定
子電阻還隨著運(yùn)行時(shí)定子頻率、定子電流、運(yùn)行時(shí)間及
電主軸溫度的變化而變化。
(2)溫度變化對(duì)定子電阻的影響。從理論上來講，溫
度變化是影響定子電阻變化的主要因素，電機(jī)的定子電
阻隨溫度變化的關(guān)系式為[61：
肛鬻R．- (2)l
式中：tl一室溫；凡1是室溫時(shí)的電阻；&amp;amp;是溫度為
t2時(shí)的電阻。從式(2)可以看出，定子電阻隨溫度的增加
而線性增加。
(3)定子電流對(duì)定子電阻的影響。定子電流對(duì)定子電
阻的影響主要表現(xiàn)為當(dāng)電主軸的電流增加時(shí)，定子電流
的變化導(dǎo)致定子銅耗的增大，并最終導(dǎo)致電主軸溫度的
上升；另一方面定子電流的增大也將使電主軸漏磁增
加。雜散損耗增大。因此定子電流對(duì)定子電阻的影響的
本質(zhì)是溫度對(duì)定子電阻的影響。
(4)頻率對(duì)定子電阻的影響。異步電機(jī)通過改變電源
頻率而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)電源頻率增大時(shí)，由于I
集膚效應(yīng)的影響。隨著定、轉(zhuǎn)子頻率與電流量的分布變
化，定子電阻也會(huì)發(fā)生變化ffl。同時(shí)當(dāng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入到弱磁
調(diào)速范圍，由于磁路飽和，電機(jī)內(nèi)同樣會(huì)產(chǎn)生集膚效1
應(yīng)，這不僅主要使轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子電感值發(fā)生改變，同
樣也對(duì)定子電阻值的變化也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。
2定子電阻特性實(shí)驗(yàn)與分析
采用精度為0．1％的LCR一821測(cè)試儀對(duì)150MDl829
型號(hào)的電主軸定子電阻進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖l所j
示。實(shí)驗(yàn)過程中一直采用25。C的恒溫水冷卻。電主軸定
子電流的數(shù)值從變頻器讀取。電主軸外殼溫度用精度達(dá)
0．5％的TC-2008多路溫度測(cè)試儀(圖2)測(cè)取。
2．1電主軸冷態(tài)電阻的
檢測(cè)
測(cè)量時(shí)，電主軸轉(zhuǎn)子
靜止不動(dòng)。對(duì)定子繞組的
出現(xiàn)端迸行測(cè)量。每一電
阻測(cè)量三次。并取三次測(cè)
量的平均值作為電阻的實(shí)
際值。由于所測(cè)電主軸為
星形接法的繞組，故各相定
子繞組可按如下公式計(jì)算：
fR．-K擴(kuò)Rbc
{Rh-K。廣R。
IL=R。c-ILb
故最終定子電阻的實(shí)
際值為：
1
R=}k
二
式中：R。一三個(gè)線端
電阻的平均值。
圈1定子電阻檢舅裝置
№·l The
test．equipment
of
stator resimnce 舅—-
令_爺l 乎
‘ ，i
圈2■升撿舅羹置
n昏2 The equipment of
temperature device
2．2電主軸熱態(tài)定子電阻檢測(cè)
為分析電主軸溫升、電主軸運(yùn)行時(shí)頻率及定子電流
對(duì)定子電阻的影響，則必須對(duì)電主軸熱態(tài)定子電阻進(jìn)行
檢測(cè)。電主軸熱態(tài)定子電阻的檢測(cè)我們做了兩部分實(shí)
驗(yàn)，分別是空載和加載的實(shí)驗(yàn)。
(1)空載實(shí)驗(yàn)：電主軸定子電阻的熱態(tài)測(cè)量采用的實(shí)
驗(yàn)裝置與冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置相同。
不同的是定子電阻熱態(tài)檢測(cè)n“
時(shí)，要求電主軸在相同的頻≯”
率下運(yùn)行120rain。每隔十分?！?，
鐘將電主軸停止運(yùn)轉(zhuǎn)。電源
切斷的瞬間立即測(cè)取定子電
阻。電主軸外殼溫度、定子一t 熹蘭妻喜淼行中采!譽(yù)13414用直接轉(zhuǎn)矩控翩方式。 1——-爹 iw：‘-r 7
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析：實(shí)驗(yàn)51衍’f。’：1。
測(cè)得150MDl829電主軸定子“48“意一‘’
電阻冷態(tài)值為0．433。圈3 3011z時(shí)定子電阻■定
圖3。圖5分別是電主軸子電漉及沮度變化圈
運(yùn)行頻率為30Hz、125Hz、n≮：：：：：翟：：：柵
250Hz時(shí)，定子電阻隨定子電棚嗍t硼蛔坤H_味
流和溫度變化的三維圖形。whenthe如唧嘲啊b 301tz
為便于觀察，每組頻率下分別以溫度為X軸，定子電流
163
萬方數(shù)據(jù)
·數(shù)控機(jī)床世界·
定子電流隨轉(zhuǎn)矩變化
。圖，從圖中可以看出，
“。
””‘
一w“ 矩變化。定子電阻在加
(a)
載初期有所波動(dòng)。這是
? 由于電主軸采用的是恒
[：口
圈9定子電阻隨轉(zhuǎn)矩變化圈
流及漚度變化圈增加載荷后，定子電阻Fig．9 The variation of stotor
ng．5 The variation of stator 呈線性增大的趨勢(shì)。這他凼啪讎with torque ：：：篡二冀：：：淵是由于隨著載荷的增加，溫度升高幅度較大，冷卻‘ b舭1 。水對(duì)電主軸溫度的影響效果不明顯，電主軸整體溫
為Y軸(圖a)，以定子電流為x軸，溫度為y軸(圖b)繪
制圖形。從三組圖中可以看出，定子電阻隨著定子電流
和溫度的變化呈非線性，沒有規(guī)律可循。無法建立準(zhǔn)確
的數(shù)學(xué)模型。另外，不同頻率下定子電阻隨定子電流和
溫度的變化圖形有很大不同，可見，隨著頻率的變化定
子電阻也會(huì)變化。
(2)加載實(shí)驗(yàn)：利用圖6所示的測(cè)功機(jī)對(duì)150MDl829
型號(hào)的電主軸進(jìn)行加載。電主軸自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的測(cè)功
機(jī)與被測(cè)電主軸聯(lián)接方式為測(cè)功機(jī)+聯(lián)軸器+傳感器+聯(lián)
軸器+被測(cè)電主軸的直線式聯(lián)接，進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，測(cè)
功機(jī)通過降低速度給被測(cè)電主軸施加負(fù)載。圖7為測(cè)功
機(jī)控制系統(tǒng)?？蛇M(jìn)行電主軸運(yùn)
行參數(shù)控制。并讀出電主軸運(yùn)
行特性相關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中。首
先將測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速定為8000r，
rain，在恒值測(cè)試模塊中，定
圈6舅功譏機(jī)械系統(tǒng)為恒轉(zhuǎn)矩測(cè)試，選定7個(gè)測(cè)試點(diǎn)，
164
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析：圖8為
度呈上升趨勢(shì)，定子電阻也隨之增加。
3結(jié)論
文章用Matlab工具將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成三維圖形．通
過對(duì)數(shù)據(jù)處理分析得到：空載時(shí)，在頻率固定時(shí)，定子
電阻在定子電流和溫度的影響下呈非線性變化．而不同
頻率下．定子電阻隨著定子電流和溫度的變化圖形有所
不同，因此，頻率的變化同樣影響定子電阻變化。加載
時(shí)，溫度隨著載荷的增加，呈線性規(guī)律增大；而定子電
阻由于水的冷卻作用，小載荷時(shí)會(huì)有下降，隨著載荷的
增加定子電阻逐漸增大。
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