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第一章绪论

１．１课题的研究目的与意义

永磁同步电动机（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ

Ｍａｇｎｅｔ

Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ

Ｍｏｔｏｒ，缩写为ＰＭＳＭ）出

现于２０世纪５０年代。２０世纪７０年代，随着微型计算机和电力电子技术的发展，

ＰＭＳＭ开始广泛应用于变频调速系统。２０世纪８０年代，剩磁高、矫顽力大而价

格低廉的第三代新型永磁材料钕铁硼（ＮｄＦｅＢ）的出现及其在电机上的广泛应用，

使ＰＭＳＭ的性能有了质的飞跃，这也极大地促进了永磁同步电机调速的发展【ｌ】。

永磁同步电主轴是一种直接驱动的马达，由于结构简化，传动、连接环节减

少，简化机床结构，减少材料。同时采用永磁同步技术的电主轴省去转子的励磁

绕组，简化电机结构，提高电机的稳定性和动态响应性能。

采用电主轴结构的加工设备，提高了机床的可靠性；技术成熟、功能完善、

性能优良、质量可靠的电主轴功能部件使机床的牲能更加完善，可靠性得以进一

步提高。

超高速电主轴将提高加工速度和加工产品的精度，为提升我国装备制造业的

科技竞争力起到推动作用。超高速电主轴及其配套的驱动系统的研究，可以实现

主轴电机平稳的超高速旋转以及高速加减速，在高速运行加工时提供高刚度的转

矩输出达到优良的动态性能。同时，采用了先进的矢量控制技术可以使该系统同

比现有的中低速的电主轴产品相比，不但能够长时间工作而无需维护，并且节省

能量，响应国家节能减排的政策。

ＰＭＳＭ控制系统中，一般需要在转子轴上安装机械式传感器，测量电机的速

度和转子的磁极位置。这些机械传感器经常是测速发电机（Ｔａｃｈｏ－ｍｅｔｅｒ）、解算器

（Ｒｅｓｏｌｖｅｒ）和编码器（Ｅｎｃｏｄｅｒ）。机械传感器提供了电机所需的转子信号，．但同

时给调速系统带来了以下问题：

受机械传感器使用条件如振动、湿度和温度的限制，调速系统不能广泛应用。

机械传感器及其辅助电路增加了电机转子轴上的转动惯量，加大了电机空间尺寸

和体积。

机械传感器增加了调速系统的成本，某些高精度传感器的价格甚至可与电机

本身价格相比【２１。，机械传感器的使用增加了控制系统和电机之间的接口电路和连

接线，降低了系统的可靠性和抗干扰能力。

机械传感器对电机的驱动轴会产生一定的动态摩擦和静态摩擦，加大了电机

的空间体积和尺寸，加大了电机转子轴的转动惯量。尽管机械传感器存在着以上

基于ＤＳＰ的超高速永磁同步电主轴无传感器驱动系统的研究

问题，但转子的磁极位置信息和电机的速度又是必需的，而无传感器控制技术在

摒弃机械传感器的同时可以解决问题，这就使得无传感器技术得以广泛应用。

无传感器控制技术是指在交流电机控制系统中，去掉速度和位置传感器，通

过不同的估计方法得到位置信息和转速的技术【３１。即利用电机绕组中的相关变量如

电压、电流等，来估算出转子的位置和速度，以此实现电机控制。

无传感器控制技术广泛应用在水下机器人、微型电机、家用电器、高速电机、

航空航天等一些特殊场合１４１。例如，无传感器控制技术可应用于ＰＣＢ加工设备行

业，由于用户对孔位加工的“小、轻、细”的要求越来越高，所以以ＰＣＢ钻床的应

用为例，高的主轴旋转速度可以提高孔位的加工质量和小型化。超高速永磁同步

电主轴及其无传感器驱动器的研发对于ＰＣＢ加工设备的整体设计，优化机床结构，

提高机床性能有重要的意义。

无传感器控制技术是在常规带速度和位置传感器的控制基础上发展起来的，

除电机转速信息的获取途径、方法不同之外，仍沿用原来的控制技术。因此，无

速度传感器控制技术的核心是如何准确的获取电机的转子位置和转速信息【５】。

本课题所研究的问题是ＰＭＳＭ无传感器控制技术的理论及其实现方法，对提

高ＰＭＳＭ无传感器控制系统的性能具有重要的理论意义和应用价值。

１．２．１概述

１．２电主轴简介

随着变频调速技术、电动机矢量控制技术的迅速发展和日趋完善，极大地

简化了数控机床主传动系统的机械结构，基本取消了齿轮传动和带轮传动【６Ｊ。

可由内装电动机直接驱动机床主轴，从而将机床主传动链的长度缩短为零，实

现了机床的“零传动”。这种机床主轴和主轴电动机合二为一的传动结构形式，

使主轴部件从机床的整体结构和传动系统中独立出来，可做成“主轴单元”，俗

称“电主轴”（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ

Ｓｐｉｎｄｌｅ

Ｍｏｔｏｒ

Ｓｐｉｎｄｌｅ）。电主轴的外观图如图１．１所示。

图１．１电主轴外观图

拗绻荔譬，

■一

第一章绪论

３

主轴单元的壳体就是电动机机座，电主轴电动机的转子直接作为机床的主

轴，并且配合其他零部件，可实现电动机与机床主轴的一体化，其原理图如图

１．２所示【刀。

图１．２电主轴原理图

电主轴具有响应快、惯性小、重量轻、噪声低、振动小、结构紧凑等优点，

而且机床设计简单，功率大，转速高，易于实现主轴定位嘲。主要用于压力转子、

微型电机、机电设备、数控机床等，而超高速电主轴更有助于进一步提高产品的

加工精度和速度。

电主轴是最近几年在数控机床领域出现的新技术，它与高速刀具技术、直线

电机技术结合在一起，它将主轴电机与机床主轴融为一体，把高速加工推向一个

新时代。电主轴是一套组件，主要包括：电主轴、冷却装置、高频变频装置、油

雾润滑器、换刀装置、内置编码器等。

１．２．２电主轴技术国内外发展现状及趋势

国外从事高速电主轴生产与研发的企业主要有如下几家：瑞士ＩＢＡＧ、西门子、

日本大隈、Ｇａｍｆｉｏｒ、Ｆａｅｍａｔ、意大利Ｏｍｌｅｔ、美国Ｓｅｔｃｏ等。其中，以Ｓｅｔｃｏ、Ｃｒａｍｍｆｉｅｒ、

Ｏｍｌｅｔ、ＧＭＮ、ＩＢＡＧ等几家的技术水平代表了这个领域的世界先进水平【９】。

国外高速精密主轴上采用高刚度、高速的轴承，主要有液体动静压轴承和陶

瓷轴承，特殊场合采用磁悬浮轴承和空气润滑轴承，其精密装配、精密加工工艺

和配套控制系统水平高。这些公司生产的电主轴比国内生产的电主轴有功率大、

转速高、采用高刚度、高速承轴等特点。

从产业结构上，国外的一些数控机床主轴公司主要负责主轴的技术研发、总

体设计以及零部件装配和测试工作，其余的关键零部件（如、动力油缸或气缸、

主轴轴承主轴换刀机构、主轴轴承润滑油品、内装电机等）全部实行采购，在产

业的合作与分工上具有很强的互补性和组织性，同时由于机床主轴生产商与各附

４

基于ＤＳＰ的超高速永磁同步电主轴无传感器驱动系统的研究

件生产商之间形成了良性的循环，分工的细致，针对本专业的关键技术投入人力

物力进行科技攻关，由此带动了电主轴行业的整体技术进步。

同国外的电主轴相比较，国产电主轴无论是性能、品种和质量都有较大差距，

国产电主轴产品主要存在以下不足：

在高速方面，我国用于加工的电主轴转速多在２００００ｒ／ｒａｉｎ以下，而国外用于

电主轴的转速已经达到７５０００ｒ／ｒａｉｎ。

在低速大转矩方面，国内电主轴目前则多在１００Ｎ·ｒｎ以内，而国外产品低速段

的输出转矩可以达到３００Ｎ·ｍ以上，有的如德国的ＣＹＴＥＣ更是高达６００多Ｎ·ｍ【ｌｏｌ。

在电主轴的功能和性能方面，我国仍然以常规产品为主要发展方向，而国外

已经在发展多功能、高性能的数控机床用电主轴产品。

在电主轴的支撑技术方面，在我国则仍然处于科学研究或小批量试制之中，

而国外已经有磁浮轴承电主轴（瑞士ＩＢＡＧ）、动、静压液（气）浮轴承电主轴（瑞士

ＩＢＡＧ等）的成熟商品ｕ１１。

在电主轴的润滑方面，我国则仍然以油脂润滑和油雾润滑为主，而国外高速

电主轴轴承已经普遍采用先进的油气润滑技术。

在其它与电主轴相关配套技术方面，如快速启动与停止技术、Ｃ轴传动技术、

停机角向准确定位技术、电主轴内装电机闭环矢量控制技术、主轴智能监控技术、

ＨＳＫ刀柄制造与应用技术、交流伺服技术等，国内仍然不够成熟，或不能够满足

实际应用的需要。

在产品的数量、品种和制造规模等方面，国内仍然处于小量研发阶段，还远

没有形成专业化、系列化和规模化生产，无法与国外的先进水平相比较，远远不

能满足日益增长的国内市场需要，还远不具备与国外电主轴产品相抗衡的能力。

综上所述，国内的从事电主轴生产与研究的企业与上述国外公司相比，在技

术的创新能力以及产品研发上不具有优势，但具有相对的成本优势。

电主轴技术发展有以下趋势：继续向高可靠性、高精度和延长工作寿命方向

发展；向快速启、停方向发展；；电主轴内装电机形式和性能多样化；向低速大转

矩、高速大功率方向发展；轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化；向多功

能、智能化方向发展；进一步向高刚度、高速度方向发展Ｉｌ引。

１．３．１概述

１．３永磁同步电动机控制技术

电主轴电动机的转子直接作为机床的主轴，主轴单元的壳体就是电动机机

座，并且配合其他零部件，实现电动机与机床主轴的一体化，所以，永磁同步

电主轴的控制方式和永磁同步电机的控制方式是相同的。

第一章绪论

５

ＰＭＳＭ的控制策略大体上分为他控式和自控式。他控式是指ＰＭＳＭ用独立

的变频电源供电，电动机的转速严格地跟踪电源频率。自控式是２０世纪６０年

代后期发展起来的，现在已经成为同步电动机控制的主要方式。自控式采用传

感器检测转子位置，根据检测到的位置信号信息来调整逆变器开关器件的触发

信号，进而控制定子电流的相位，从而控制输出电磁转矩。近年来人们趋向于

省去自控式中的转子位置传感器和速度传感器，采用其它方法来获得转子的位

置和速度信息【ｌ引。

自控式交流调速系统的基本组成如图１．３所示，为了获得最大的输出转矩，

需要保持定子电流与转子磁极位置呈一定角度，这就需要知道转子的位置信息。

传统的ＰＭＳＭ调速系统中转子位置信号是由光电编码器、传感器等获得。

无位置传感器检测技术利用ＰＭＳＭ的某些电气参数是转子位置信息的函

数来计算转子位置信息，控制系统机械结构简单；抗干扰能力强；检测精度高；

降低了调速系统的成本。

检测

测

图１．３自控式调速系统结构

随着控制理论、数字信号处理技术和计算机技术的飞速发展，采用无传感

器检测技术的矢量控制技术得到了普遍的重视。将现代控制理论、非线性控制

理论和其他领域的研究成果应用于ＰＭＳＭ无传感器调速系统中，可得到多种可

行的办法：旋转坐标法、模型参考自适应法、扩展的卡尔曼滤波法、自适应滑

模观测器和高频信号注入法等ｆ１４１。

１．３．２无传感器控制技术

所谓的无机械式传感器控制是指利用电动机绕组的有关电信号（电压、电流），

通过适当的数学估算方法推测出转子的速度和位置信息，以取代机械式传感器，

实现交流调速传动系统闭环控制的技术【ｌ

５１。目前，Ｓｉｅｍｅｎｓ、Ｙａ略ｌ（ａｗａ、Ｍｉｓｍｂｉｓｌｌｉ、

Ｆ哂ｉ等公司已纷纷推出了各自的高性能无速度传感器矢量控制产品，以获得接近真

正闭环控制的性能为目标，其技术的核心点主要体现在高鲁棒性、自适应的参数

估计以及非线性状态观测上。

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