设计一个混合流体HDD主轴轴承系统外文翻译资料

Development of an FPGA-Based Sub-Module as

Three-Phase Spindle Motor Speed Controller

for CNC PCB Milling Machine

Fiqih Tri Fathulah Rusfa1

, Farkhad Ihsan Hariadi2

, Arif Sasongko3

Electrical Engineering Study Program

School of Electrical Engineering and Informatics, Institut Teknologi Bandung

Bandung, Indonesia

Abstract—Spindle motor (three-phase asynchronous AC motor) is an important part of Computer Numerical Control (CNC) Printed Circuit Board (PCB) milling machine, which plays role to engrave the copper layer based on the PCB pattern design. To perform the engraving processes, it is necessary to adjust the spindle motor speed in accordance with the PCB material used. This paper presents the results of implementing a three-phase spindle-motor speed controller based on Field Programmable Gate Array (FPGA). The control method used is fixed Voltage/Frequency (V/F) with Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) technique, so that the maximum torque of the motor can be maintained and the harmonic signals can be minimized. The FPGA unit generates digital SPWM signal as input to the inverter to convert DC voltage intothree-phase AC voltage according to the given input frequency. Results show that the sub-module can control the speed in the range of 14000-28000 RPM with the corresponding frequency range of 250-500 Hz. The Sub-module also has constant V/F and Speed/Frequency (Ȧ/F) characteristics. In addition, a ramp speed profile used during acceleration and deceleration has also been successfully implemented to address the problem of low starting torque due to the increase of supply frequency.

Keywords—CNC PCB milling, three-phase spindle motor, speed control, FPGA, SPWM, three-phase inverter, fixed V/F control

I. INTRODUCTION

Printed Circuit Board (PCB) milling process requires Computer Numerical Control (CNC) machine. This machine consists of two main components, namely spindle motor and stepper motor. Spindle motor is used to perform engraving process of copper layer based on the PCB pattern design. The motor speed needs to be adjusted in accordance with material PCB used. The spindle motor installed in the Computer Numerical Control (CNC) available at Electronics Manufacturing Laboratory PME-ITB, is a three-phase asynchronous AC motor with high rotational speed, 15000-30000 RPM that corresponds to a frequency range of 250–500 Hz. To be able to control the speed of this motor, it requires three-phase inverter that will convert DC voltage into three-phase AC voltage with the voltage and frequency values in accordance with the motor specification.

Several methods are possible to control asynchronous AC motor speed, such as by adjusting the rotor parameter of the motor, frequency of terminal voltage, magnitude of terminal voltage, and fixed voltage/frequency (V/F) control [1]. Fixed V/F control method is widely used because of its ability to maintain the maximum torque of the motor. This method can be achieved by using Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) technique. This technique allows one to minimize the harmonic signals and increase the efficiency. A number of different methods are possible to generate SPWM signal, using analog [2] as well as digital circuits (i.e. microcontroller STM32F4-Discovery [3] and Field Programmable Gate Array (FPGA) [4]). The drawback of analog method is the lack of flexibility in changing the parameter compared to digital one. If the factors such as flexibility, control capability, and processing speed are the main considerations, FPGA-based digital techniques are much better choice than microcontroller. There have been research works as described in Ref. [5], [6], and [7], which already implemented FPGA as three-phase SPWM signal generator. These works, however, were dealing only with low switching frequency (lt; 500Hz).

To control asynchronous AC motor with high operating frequencies (250-500 Hz), a correspondingly high switching frequency is also required, usually by a factor of 180 times or more to the operating frequency [8]. Higher switching frequency will be better in order to minimize the harmonics and perform fixed V/F control well. However, there is another issue regarding high operating frequency value. High operating frequency will reduce motor starting torque [1] , so that the motor will not be able to rotate spontaneously. Matina Lakka in [9] has proposed a method of generating SPWM with high switching frequency up to 1 MHz for a single-phase inverter, however still without considering the need of starting torque motor if it is implemented directly on asynchronous AC motor. In the implementation of three-phase inverter, it commonly uses high input DC voltage and drives a quite large enough current to the motor, therefore the use of protection circuit like opto-isolation [10] or current limiter is highly recommended.

In this paper, the development of an FPGA-based submodule as three-phase spindle motor speed controller for CNCPCB milling with fixed V/F control method, switching frequency up to 180kHz, acceleration, deceleration, and protection feature, is proposed. The rest of this paper isorganized as follows: Section II explains the principles of speed control with SPWM technique, followed by explanation of detailed design and implementation of this sub-module in Section III. Section IV provides the experiment setup, results, and discussion. Finally, conclusions are drawn in Section V.

II. PRINCIPLES OF FIXED V/F CONTROL WITH SPWM TECHNIQUE

The synchronous speed of asynchronous AC motor is given by:

where f is frequency and p is number of poles. The actual speed (rotor speed) of this motor is given by:

where s is slip expressed in terms of percentage.

Asynchronous AC motor speed control with fixed V/F method is usually an open loop control. With this con

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设计一个混合流体HDD主轴轴承系统

Q. D. Zhang, S. X. Chen and Z. J. Liu

摘要：介绍了一种新颖的混合设计水动力和气动流体轴承系统。液体轴承系统由一个轴颈轴承的润滑装置人字形沟槽和空气润滑推力轴承单位有一个锥形推力板刻着螺旋沟槽。这个轴承系统有更低的能耗和支持可靠的密封设计的径向轴承。主轴电机的轴承系统原型。在这个纸报道一些仿真和测试结果。

关键字：硬盘驱动器、混合设计,主轴电机

一、背景介绍

水动力轴承是多年来一直利用在各种技术的应用程序。他们的应用程序在不久的未来将发展为高性能硬盘驱动器产品。水动力轴承主轴有许多优点——滚珠轴承主轴，低不可重复跳动(NRRO),低噪声,更好非经营性耐冲击性,更好的速度控制,增加主轴电机结构的阻尼模式[1][2]。

基本上有三种类型的液体润滑剂轴承,即气体,液体和油脂。在这些各种各样的类型的润滑剂,空气润滑轴承是有吸引力的因为润滑密封的难度是规避。然而,全气动轴承主轴马达相对较低的负载能力，此外完全气动轴承没有为放电静态电荷积累在硬盘驱动器的操作提供路径。另一方面,完全水动力轴承主轴电机轴承高功率损失。

在应用程序硬盘驱动器,轴颈轴承的需求是很重要的，在许多情况下径向刚度通常高于轴向刚度。此外,随着硬盘驱动器的使用主轴转速反而越长越高,能源消耗也增多。如何减少能源消耗也是一个重要的问题,尤其是为笔记本电脑使用,提供的备用电源电池。为了克服上述问题,混合水动力和气动轴承系统在数据存储研究院(DSI)开发。在这种液体轴承系统中,空气是用作润滑剂的锥形推力，轴承油作为轴承润滑剂。在本文中,设计混合流体轴承系统的讨论和仿真提出了实验的结果。主轴电机的原型和运作测量结果表明,流体轴承系统已经满足该混合的设计目标。

二、混合流体轴承系统的设计

图1显示了我们的原型主轴单元的示意图3.5英寸的硬盘驱动器。主轴电机由无刷直流电机、混合流体膜轴承系统,中心和基地。主轴电机的配置设计,即电动机和轴承都是位于内部的空间中心。电机由定子和环形磁铁与中心一起轭。轴承系统是由油润滑空气轴承和推力轴承。轴颈轴承的基板和轴是固定的轴颈轴承固定在中心。因此,主轴运动是一个“转轴”设计配置。两个人字槽轴承在两个独立的加工轴上。锥形形状的推力板固定轴颈轴承的套筒,其顶部和底部加工许多螺旋沟槽表面。为了防止在启动和停止时从推力板表面及其磨损损害轴承表面,一个狭窄的腰带区上、下轴承表面涂涂层

与耐磨材料。当主轴电机在操作时人字形沟槽防止润滑油泄漏。此外,表面区域顶部的轴和套筒涂上一种anti-migration材料防止润滑剂迁移泄漏。

三、分析和讨论

无因次的载荷和刚度公式液膜轴颈轴承可以写成[5]

W是负载,K是刚度,U是润滑剂的粘度,N转速,D,L,R和c是直径,长度,半径和轴颈轴承的径向间隙，从方程(3)和(4),我们可以看到,负载能力和刚度轴颈轴承的功能N,D,L R、c和p。如果所有参数(N,D,L,R,c)为常数,轴颈轴承的承载能力和刚度直接与润滑剂的粘度成正比。当然,提高负载能力和径向刚度减少润滑轴承的径向间隙。表2显示一个油润滑和一个空气润滑在这两个轴承处于同样的直径(4.5毫米),同样的温度(20 ℃)和相同速度(7200 rpm)条件下的刚度。然而,图2显示,空气润滑轴承的负荷能力低于油润滑轴承。此外,窄间隙导致紧缩公差不可避免地增加了在零件和主轴加工的成本总成。

表2

轴承的刚度分别使用油作为润滑剂(Rc = 10 pn)和空气润滑(Rc = 1 pn)

轴颈轴承的承载能力和刚度还能通过增加轴直径来加以改善。然而,一个轴直径的小的增量几乎对轴颈轴承的承载能力和刚度的增加没有帮助。如果我们大大提高轴的直径,轴不可避免地需要一些空间预留给电机定子,导致没有足够的空间容纳电机定子内的中心。因此,为提高负载能力和轴颈轴承的刚度而增加轴的直径变得几乎不可能。

从上面所讨论的,考虑油润滑轴颈轴承最好用于混合轴承系统。图3给出了粘度与其之间的关系油的温度用于我们的模拟和原型。特别是,其粘度19.5 ~ 10Pa.S，温度在20°C。在轴或蚀刻有人字形沟槽套筒,轴颈轴承提高负载能力,径向刚度和运动稳定性。图4所示，一个典型的压力分布在轴颈轴承槽参数进行了优化。偏心率在7200 rpm,20℃

图3：油的粘度与温度用于轴承

图4一个典型joumal轴承的压力分布在7200 rpm,20 C。

图5a轴颈轴承的承载能力与偏心率E。

图5 b轴颈轴承的刚度与偏心率E。

推力轴承设计空气作为润滑剂。不像轴颈轴承、止推轴承的直径增加实际是可行的。在类似的轴向负载能力和轴向刚度条件下,空气的推力轴承润滑与石油润滑相比摩擦损失是大大减少,

因此,整个轴承系统的功率损耗减少了约20%。图6a和6 b显示了分别用石油和空气作为润滑剂的负载能力和推力轴承的轴向刚度,。在这里,空气的润滑推力轴承的直径是油润滑推力轴承的两倍，空气推力轴承的轴向间隙是石油推力轴承的1/3。图7显示整个轴承系统的能源消耗。图7的上曲线代表的能源消耗的油润滑推力轴承,而较低的曲线代表了能量消耗的混合轴承系统,两者兼而有之轴承系统有类似的承载力和刚度。

图6 a推力轴承的负荷能力油和空气作为润滑剂

图7不同轴承系统的能耗进行了比较

混合轴承系统设计的另一个特点是推力轴承是固定轴和套筒而不是锥形推力板。正是基于这样的考虑增加主轴电机,防止倾斜刚度和摆动运动。参照图8所示,表示1的中心之间的距离所产生的力量两个杂志轴承在轴上,倾斜刚度直接相关的距离1由以下方程[6]

k是轴颈轴承的刚度和倾斜的上部和下部之间的转动轴轴承。显然,距离越长,倾斜刚度越高。

图8 轴承压力中心的示意图

混合轴承设计还提供了一个空气轴承润滑系统中可能遇到静电电荷耗尽的解决方案。轴颈轴承的充油,和中心主轴电机的基础不再是电分离,因此,静电放电的电子路径中提供了混合轴承系统(参见图1)。在混合轴承系统中,由于推力轴承是空气润滑,只有轴颈轴承的密封要求。由于推力轴承，轴颈轴承的密封长度石油在轴颈轴承润滑时间变得更长。这是非常有助于建立一个更有效的密封。所以,混合轴承设计减少润滑剂的泄漏风险。

1. 样机的测试结果

主轴电机的原型与混合流体轴承系统制作的测试结果，机械和电气特性的原型所示图10到14和所有结果显示

图9跳动测量的试验装置的示意图

图9 显示了试验装置的示意图测量可重复的跳动(RRO)和不可重复跳动(NRRO)。主轴电机固定到振动自由表。两个电容探针用来测量径向和轴向跳动如图9所示。图10显示径向和轴向可重复的在不同转速跳动在2.6点。径向可重复的跳动会随着旋转的增加速度从2.35点在4000 rpm,至1.47点在10200rpm。轴向重复跳动没有这个明显趋势。它的增长速度和振荡最小值为1.998点在7200 rpm。不可重复的轴向摆动和径向跳动与旋转的主轴速度图10b所示。我们可以看到,两个轴向非径向跳动测量的设置,径向不可重复跳动是小于0.05点。测量的标准差NRRO不同速度在表3中列出。在表3中,第2列是标准偏差的测量径向不可重复跳动和列3显示了标准偏差的百分比或径向NRRO测量的平均值列4和列5显示轴的测量精度不可重复跳动

图10轴向和径向重复的跳动对主轴的旋转速度

图10 b轴向和径向非重复性的跳动与主轴的转速

表3

NRRO测量的标准偏差

图11显示了液膜的起动电流轴承主轴电机的运行速度设定在10200 rpm。图11的横坐标代表时间0.2 s / div的单位。,而纵轴代表了电流的单位500 Mdiv。从图11,它可以观察到,起动电流约为910 mA大约需要0.8秒的主轴电机给定的速度。图12表示当前和工作电压的主轴电机和参考球轴承主轴在稳定的运行状态。参考球轴承主轴中使用一个商业产品高端,3.5硬盘驱动器。类似于它的维度我们的混合流体轴承主轴电机是表1中列出。流体膜轴承主轴的工作电流较高，球轴承主轴工作电压低于滚珠轴承主轴。主轴的功耗与混合流体轴承系统与旋转速度相比球轴承主轴在图13所示。图14是一比较净能耗的混合流体轴承系统预测的数值方法测量净能耗。获取净功率混合流体轴承系统的铜损失和电动机的铁损失扣除测量主轴电机的总功耗。测试结果表明,混合轴承系统工作良好

图11主轴电动机的启动电流在10200 rpm。

图12的比较工作电流电压(a)和(b)的滚珠轴承主轴轴。

图13的功耗与转速,流体膜轴承主轴(上曲线),球轴承轴(较低的曲线)。

图14能耗预测和测量轴承系统消耗的能力

然而,混合轴承系统设计存在一些缺点。首先,当主轴马达受到装运期间大的外部冲击,推力的轴承损坏风险是高于完全油润滑轴承系统。其次,锥形止推轴承的配置增加了零件加工困难和总成本。

1. 结论

介绍了混合流体轴承的设计，对它的的优点进行了讨论。主要优势混合流体轴承设计径向刚度高、在密封的设计和低功率消耗,为在操作期间静电放电电荷积累提供了一种可能的解决方案。测试结果原型与混合流体轴承系统显示混合液体的主轴电机轴承系统的工作原理好。

参考文献：

[l] K. A. Liebler, 'Future trends in spindle bearings for disk drives'

Storage, pp. 37-40, Nov./Dec., 1995.

[2] N. Schirle, D. K. Lieu, 'History and trends in the development of

motorized spindles for hard disk drives', IEEE Trans. Mag. v32, n3,

[3] A. C. Swann, J. C. Harrison, F. E. Talke, 'Non-repeatable runout

measurement and simulation of fluid lubricated spindles', IEEE Trans.

Mug. v32, n3, pp1727-1732, 1996.

[4] B. J. Hamrock, D. P. Fleming, 'Optimization of self-acting hemn bone

grooved joumal bearings for maximum radial load capacity', 5 Gas

bearing symposium, paper 13, 1971.

[5] V. N. Constantinescu et al. Sliding Bearings, Allerton press, 1985.

[6] E. 2. Polch, C. D. Williams, J. Cordova, 'Hydrodynamic bearing

having inverted surface tension seals', U. S. Patent No. 5 533 811,

pp.1703-1708, 1996. $ 1996.

PCB数控铣床的一种基于FPGA技术次模组的三相主轴电机速度控制器的发展

Fiqih Tri Fathulah Rusfa, Farkhad Ihsan Hariadi, Arif Sasongko

电气工程研究项目

印尼万隆电气工程和信息学学院研究所

摘要：三相异步交流电机是计算机数字控制的一个重要组成部分（CNC)印刷电路板(PCB)铣床扮演的角色基于PCB模式设计。执行过程,按照PCB材料使用调整主轴电机转速是很有必要的。本文实现的结果基于可编程门阵列(FPGA)三相主轴电机速度控制器。使用的控制方法是固定电压/频率(V / F)与正弦脉冲宽度调制(SPWM)技术,这样的最大转矩运动可以保持和谐波信号最小化。次模组由两个主要组件组成,即FPGA和三相逆变器,FPGA单元生成的数字SPWM信号输入到逆变器根据给定的输入频率将直流电压转换成三相交流电压。结果表明,该次模组可以控制的速度在14000 - 28000 RPM范围与相应的频率250 - 500赫兹的范围。

关键字：三相主轴电机、速度控制、FPGA、变频调速、三相逆变器、固定V / F控制

1. 介绍。

印刷电路板(PCB)铣削过程要有计算机数控(CNC)的机器。这台机器由两个主要组件,即主轴电机和步进电机。主轴电机是用于执行雕刻流程的铜层基于PCB的设计模式。需要按照材料PCB调整电机的转速。能够控制电机的速度,它需要三相逆变器将直流电压转换成三相交流电压按照电机的电压和频率值规范。有几个方法可以控制异步交流电动机转速,如通过调整转子参数的电机、终端电压的频率、终端电压的大小,和固定电压/频率(V / F)控制。固定V / F控制方法被广泛使用,因为它能保持电动机的最大转矩。该

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