【毕业论文】数控机床伺服系统的建模与仿真.ppt

0 前言 数控机床进给伺服系统是数控系统的重要组成部分，在一定意义上，伺服系统的静、动态性能，决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率。 基于PID控制的数控机床进给伺服调节器参数的选择是关键 。 MATLAB对系统进行参数优化结合起来，很好的提高系统参数调节的效率、准确度，为改善和提高数控机床进给伺服系统的性能提供一定的理论依据 1 系统仿真软件与模型 Matlab是流行的软件提供了功能强大的矩阵运算、数据处理能力。Matlab提供了众多的工具箱, Simulink是Matlab的主要工具箱之一, 它具有模块化、可封装、可重载、面向结构图编程以及高度可视化等优点, 可大大提高系统仿真的效率和可靠性。可以做出实际系统之前, 预先对系统进行仿真和分析, 并可以做适当的实时修正, 增强系统的性能, 减少系统反复修改的时间, 实现高效开发系统的目的。 1.2 工作台系统组成 工作台是实现平面坐标运动的典型部件，X,Y向均采用伺服电机驱动，通过丝杠传动，使工作台做X-Y向的运动。伺服电动 机直接连接的增量式编码器被用于速度的反馈。位置测量信号则来自于安装在工作台上的直线光栅，位置测量值同时被用于计算机上的数据采集卡所记录，用于分析 X-Y工作台的运动精度。 工作台系统组成图 1.3 伺服系统的结构 工作台伺服系统是由驱动模块与伺服电机等组成的一个高精度角度闭环系统，其输入为数控系统给出的指令脉冲，输出为电动机转角。在以光栅尺、脉冲编码器、电流表等组成检测反馈环节所实现的闭环控制下，电动机的转角将随着数控指令的变化，通过丝杠螺母副的传动，电动机的角位移被转化为所需要的工作台的直线位移。 2 数控机床伺服系统闭环控制 数控机床进给系统一般分为两个部分：一部分是伺服驱动系统，另一部分是机械传动系统。系统组成框图。 在整个伺服控制三环结构中，以矢量控制的交流伺服电动机（PMSM）驱动，电流环和速度环为内环，位置环为外环。 电流环的作用是改造内环控制对象的传递函数，提高系统的快速性，及时抑制电流环内部的干扰，限制最大电流，使系统有足够大的加速扭矩，并保障系统安全运行。 速度环的作用是增强系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动。 位置环的作用是保证系统静态精度和动态跟踪性能，使整个伺服系统能稳定、高性能运行。 3 系统数学模型建立 采用Matlab对伺服控制系统进行仿真研究，已成为当前控制技术的一个新的重要应用领域。利用Matlab中Simulink模块可以方便对伺服系统动态特性进行分析，从而选择优良的控制策略。 要进行仿真的前提就是建立精确合理的数学模型，以便进行分析。 3.1 机械传动装置 数控机床伺服系统由交流伺服电机驱动，通过柔性联轴节与滚珠丝杠连接，直接带动工作台运动，起物理模型如图 。 机械部分输入的是电机轴的转角，输出是工作台的位移，机械系统是一个二阶振荡环节，其传递函数为： 3.2 交流伺服电机 PMSM采用三相交流供电，具有多变量、强耦合及非线性等特点，控制较为复杂。 将多相绕组等效为空间上互差90°电度角的两相绕组，即直轴绕组和交轴绕组，转子直轴d、交轴q对称，在忽略磁饱和，不计磁滞和蜗流损耗影响，空间磁T场呈正弦分布的条件下，当Ld=Lq=L，阻尼系数B=0时，得d-q坐标系上永磁同步电机的状态方程为 ： 为了获得线性状态方程，根据矢量控制原理，令id=0，式（1）变为： 3.3 电流环传递函数确定 为满足高性能交流伺服系统高精度和快响应的要求，电流检测一般采用霍尔电流传感器。 当电流信号经霍尔电流传感器后变成电压信号，为了消除不希望高频成分，一般采用一阶低通滤波器，这样，电流反馈环节的传递函数为： 在分析电流环动态特性时，SPWM逆变器一般简化成一阶惯性环节， SPWM逆变器的放大系数 ： 逆变器的传递函数为： 通PMSM的解耦状态方程式，建立永磁同 步电机的控制框图，以及结合机械装置即可建立整个进给伺服系统框图。 4 PID控制器的设计 把电流环变为单位反馈系统，并按近似处理方法把电流反馈滤波器和SPWM两个小惯性环节合并成一个小惯性环节，得到电流环的简化系统结构图。 未加调节器的电流环的开环传递函数为： 电流环控制器设计为PI调节器将电流环整 定为Ⅰ型系统，其传递函数为： 加控制器后的电流环开环传递函数为： 4.2 速度环PI调节器 在设计整定速度环时，电流环简化成一个惯性环节。未加PI调节器的速度环开环传递函数为: 为了实现速度无静差，可将速度环整定为II型系统，因此速度环也采用PI调节器，其传递函数为: KVP为本环节的比例增益、TV为本环节的积分时间常数。此时速度环开环传递函数为： 对于典型Ⅱ型系