（电气工程专业论文）cmk61200d×8032重型卧式车磨数控机床交流伺服系统的研究.pdf

c 呱6 1 2 0 0 d 8 0 3 2 重型卧式车磨数控机床交流伺服系统的研究 s t u d yo n a cs e n 帕s y s 胁f b rc m k 6 1 2 0 0 d 8 0 3 2h e a v yh o 枥n 伽 n 1 蛐e r i c a lc o n 的ln l l i n e1 砌w i mm n i n g 狮d ( 枷啦a b i l 时 a b s t m c t 低弘脱s s j n g 脚“鼬一删t o l er 咖锄d 蕊o f 骶l l e a v y g a 咖讲m 懒，蝴 戤u s e d i l ie l 硎cp o w 玎掣鼬锄，i sa l 邺t h c 删i l l l p o 栅t p o i m j l l n l o 缸m 孤u 白c t i i n 昏i f i n c i l l j l l gi l i 驴f o p 盯h a 弭l e dd l 砸n gm 锄自c t i 埘n gm d 踮鼬l i l 睇跚c h 勰r 0 妞獬c “c 锄d 瑚础g a pl l l i s 风嗽m gv i b 刎柚d 碱w h i c h 黜c 螂e db y 也ef o t 町m 麟 d i 鼢j l l l 馐l e 缸c 、丽t h t h ei o i a r y 戕i s ，、】v i b el e a di nw 1 1 i l e0 p 硎o i l d 0 岱吐忙吼s t a b l e p c d b r m 卸c e o nt h cb a s i so ft l l i s 呻b l e l i l ，l h er e q u i 瑚l to fa 出e v i 】n gm l l l t i - p r o c e d l 舱伽o r 圮 m 觚岫ei sp d p o d ，锄dm eh 朗v yh m i z 饥i t a ll a t l l e 舡l d 掣j j l d e r 埘m l 耐c a l “m 缸d ll i 】圆h j l 坞 嘶1 2 0 0 d 8 0 3 2 ，讲d c hi sn 删l yd w e i o p c dc o l t l b 谳讹l 抽e ，g 曲d e r 孤di n i l l 岵i s c o m p c 栅眦b u tt l o wt o 伽【s u t t 圮r a p i d 他印伽s p o e d 觚dm eg o o dn o i s 争p i d o f 凫吐i h i s 也e i s s u ew e 白c e d ，t l l i s 掣【i r c ds o m e 髓蚴石a l 彻l a l y s i so f l 量i es e oc 印a b i 峨 h lt l l i sp a p e f ，t l l e 缸n c 6 0 no f 朗c hp 甜i l lt l l ek 孙可h ( i r i z o n t a ll a t l l e 砸1 d 罂i n d 盯n 咖e r i c a l c 伽舡d i 删曲i c 加硒1 2 伽l d 8 0 3 2s e f v od r i v es y 纰n 卸觚a l y z e dp a n i c u l a r l y 1 1 l c s i i p l r e ：商o no f t l l ed i s t i m 脚c ei i lt l l ea cs 哪s y s 劬i s r e a r l c h c dj n 觇l l s ，锄dt 1 1 es 胁d a 耐h c o n t l l e ri sb r o u g h t 锄州a r dt dr e p l et l l ec o v 酬伽l a lp if o 伽伽i a l 叩咖c o n 虮) 玎前锄d 也e a d v 嘶i s t o 吣n l c i 静岫雕a i l d a l s o m e 呻c e s 血g 叫斜 f i 赋t b e 蛐a c c l 眦y a n d 鲫删0 no f m e 触躺锄d y z 缸mm ec o l s co f 鲫d y z 岵m es e o 哪【c l n s b d e u s c d i i l m c 蛐i sd e t 咖a n d m cs 洲咧锄 c 仰l m e i | 的d m 舢她谢t h i t s 曲肿船s t y l e i s p u t 内埘d s 蚴d m ca cs m o t o rs y s t c l i li s 即p o s e d ，i n c l u d i n gm e 阳僦钮t 嘲 s ) 哩k l o 璐a cs 加o t o ri sa d o p t c dl l l ew h o l e 叫w d 饥tc i 础o f t t 圮s t a b l e0 p 哪撕o n w i i h l h ep mc o m lm o t o rp o w e r 出i v ec i r c l l i ti sp r o p o s c d 卸| da l s ol h ec 0 仲鹪p c 唧1 i n g 鼬吣s t 砒e c h 删s c i c sc o l 印向n gp n 埕弘l i lt l l c 删c 咖n 单e c d 舳u e r dp o 硎舳l l e r 钟j 1 i 心0 ( i u c e d 伽e b y 伽e 一 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 l i r d l h ed e s i 弘i d 翰o f 也舳l l c ri s 啪u 班缸啪l 吐m 咖l v c 删p im l 删 暑p e 。do 嘶l l c ri s 姊l a c c db ys t a n d 捌h 。c o n 舡o n a n dt h e i 渺i r 砌硼ep c l 向哪a 1 1 c ei s 岫p f 0 v c d ，d om e p r o c 酬n g 舢y a tl 雒lt 量l ee i n l i l a l i o na n dt h ec a l c u l 撕0 i l 职s 岫w o d 【o ff b e 锄e l i o 枷0 n 懿h 锄eo 札t h e b 柚如o fq l 删枷v es t i i d yi sc a r r i o do u t t h e l l 锄ei sp r 0 et 0h a v et i 地c a p a b i l i 锣o f 触甜d 越c 毗越e 血i 由l g 粕dn o i s e - i m m l m ea n de l ：喀l h em e 加栅s t 醢a b i t yo fm es y 咖l i l 勰t o i n l p v i i l g t l l ec 印a b i t y o f i 一i i i m l m 坨锄d t h e a c c u i y o f l l l es y s 胁 k e ) ，w o r d s ：m g v yh o z o n t a ii a 也e 柚d 咖d e rn u 姗r i c a ic o 仃0 im c h 缸e h 。m b u s t n 仃o ks 帅。吨m ，p e r m 蚰蚰tm a g n e ts y n c h r d n o u sm o 幻r 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 垫日期：丝2 ：! ：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景与意义 大型电机的转子及轴加工问题是电机制造过程中的关键，直接关系到产品出厂后安 装、运行效果及使用寿命，由于热套后的转子外径和铁芯长均达到1 米以上，轴总长可达 到4 5 米以上。在这样大型部件的加工过程中，如不能保证各部位尺寸的精度及其同轴 度、圆柱度、圆跳动等技术指标，将会给后续运行带来不可估量的后果。例如，如果在加 工与装配中出现了转子质量偏心或配合间隙不合适等问题，就会使运行过程中由于旋转质 量不对称于旋转轴线而产生强烈的振动和噪声，使运行不稳定，甚至出现不安全问题【l 】。 这就要求在加工大型电机转子与转轴时，对转子表面和转子轴径的加工精度和表面粗 糙度提出了严格的要求。如果采用原有的机床及加工工艺，就得多次装夹工件和更换夹 具，必将导致降低加工精度，生产周期加长，成本提高。因此提出了多种工序能在同一台 设备上完成的要求，而新近开发出集车、磨、铣于一体的a m 1 2 0 0 d 8 0 ，3 2 重型卧式车 磨数控机床就可以胜任此项加工任务。它适于加工大型电机的转子及轴这种部件，加工精 度可达到l _ i l m ，圆跳动可达2 卢m ，圆柱度可达3 _ f l n l ，达到了大型电机对转子部件的要 求。 我国的数控机床发展比较慢，但随着形势和科学技术的发展，对数控机床的需求量越 来越大。主要要求高效、高精度、自动化的数控机床以及大型的专用设备。其中又以加工 电动机、变速箱、模具及零部件的数控机床为重点。而其中，数控磨床是集机、电、液、 仪、计算机和信息等多种技术于一体的机电一体化典型产品，它集中体现了“精密、高 效、柔性、集成”四大特点，是机械制造设备中同时具有高效率、高质量、高精度、高柔 性等优点的工作母机【2 l 。七十年代微处理机直接用于机床后，数控机床的性能价格比得到 了极大的改善，这就使数控机床成为不仅是一种技术上先进，而且是一种经济上合理的机 床。它是现代机械加工设备发展的主要方向【3 】。 伺服控制在上述功能中扮演了重要支柱技术角色，忠实地跟随控制命令而动作是对伺 服驱动装置的最基本要求【4 】。伺服驱动技术的发展对机电一体化产品性能有重要影响，有 伽( 6 1 2 0 0 d 8 0 3 2 重型卧式车磨数控机床交流伺服系统的研究 时甚至起关键作用。因此，研究伺服驱动技术是发展机电一体化技术和产品不可忽视的重 要课题1 4 】。 由此不难看出，数控机床的伺服控制系统作为整个控制方面的关键，伺服控制系统必 需满足以下要求： ( 1 ) 应具有足够宽的调速范围，通常要达到1 0 0 0 0 ：1 以上，才能满足低速加工和高速返 回的要求； ( 2 ) 应具有足够的加( 减) 速力矩； ( 3 ) 伺服驱动系统的动态响应要快，以使系统具有良好的动态跟随性能，尽快消除 负载扰动对电机速度的影响； ( 4 ) 伺服电动机的转子惯量要小，以提高伺服系统的加( 减) 速性能； ( 5 ) 在从低速到高速的整个速度范围内，应该保持运行平滑，电动机的转矩脉动尽 可能要小，在运动中不产生脉动和过大的噪声；在停止时不产生爬行现象和高频振动； ( 6 ) 伺服电动机应为安全可靠，希望电动机本身无需维护或容易维护； ( 7 ) 与c n c 系统的接口应当简便。 综上所述，提高机床伺服系统的抗干扰的能为和系统的动静态精度是我们所追求的 最终目的翻。 1 2 伺服驱动系统的国内外发展现状 伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动机至今已有5 0 多年的发展历史，经历了3 个主要发展阶段嘲： 第一个发展阶段( 2 0 世纪6 0 年代以前) ，此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马 达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环系统。 第二发展阶段( 2 0 世纪6 0 0 0 年代) ，这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展 的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机， 伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁式直 流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速成性能好。 沈阳工业大学硕士学位论文 第三个发展阶段( 2 0 世纪8 0 年代至今) ，这一阶段是以机电一体化时代为背景的， 由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机 ( 方波驱动) ，交流伺服电动机( 正弦波驱动) 等种种新型电动机。 特别是，集高精度、高效率、高柔性于一身的数控机床是机械工业的加工母机，在国 民经济的发展中，占有极其重要的地位。数控机床的电气电子系统主要是由计算机数控 ( c n c ) 系统、进给伺服驱动和主轴驱动系统组成。根据数控系统发出的命令要求，伺服 系统准确快速地完成各坐标轴的进给运动，与主轴运动相配合，实现对工件的高精度加 工。因此，伺服驱动系统是数控机床的一个重要组成部分，它的性能对零件的加工精度与 加工效率都有重要的影响川。在整个数控机床成本的构成中也占有不可忽视的份额。对数 控系统必须配置与之相适应的高性能进给伺服系统，才能充分发挥出整个数控机床的性 能。进入2 0 世纪8 0 年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对伺 服系统产生了很重要的影响，交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬 件伺服转向软件伺服，智能化的软件伺服将成为伺服控制的又一发展趋势嗍。 1 3 交流伺服电动机的国内外发展现状 按a c 伺服系统所采用驱动电动机的类型来分，主要有二大类：感应式异步电动机交 流伺服系统和永磁同步电动机交流伺服系统唧。 感应式异步伺服电动机制造容易、价格低，不需要特殊维护。但控制上采用矢量变换 控制，因而系统比较复杂。转子电阻随着温度变化而影响磁场定向的准确性。同时，低运 行时发热比较严重，而低速运行又往往是机床进给机构经常所处的运行状态。这是一个显 著特点。在a c 伺服系统了展的初期，感应式异步电动机a c 伺服系统曾一度得到了发展 和应用，但由于存在上述一些问题，这种系统在机床的进给等机构驱动中并未得到普遍的 应用。 随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，开发出了多种类型的永磁同步电动机 a c 伺服系统，并一跃成为a c 伺服系统的主流，极其广泛地应用在工业生产自动化领域 中【1 0 1 。 在永磁a c 电动机伺服系统中，电动机转子所采用的永磁主要有铁氧体、钕铁硼、稀 土钻等。初期生产的永磁a c 伺服电动机以铁氧体材料居多，一般来说，目前则以采用稀 c 瓤6 1 2 0 0 d 8 0 3 2 重型卧式车磨数控机床交流伺服系统的研究 土永磁材料为普遍。当然，也要考虑永磁材料性能、价格以及电动机应用要求等诸方面。 考虑到我国钕铁硼资源非常丰富，制造工艺不断进步，性能逐渐下降等实际情况，钕铁硼 永磁材料在伺服电动机中的应用首先得到推广。 就永磁a c 伺服电动机的控制形式而言，通常有方波电流控制型和正弦波电流控制型 a c 伺服系统。前者又称为无刷d c 伺服电动机( b d ：m ) a c 伺服系统，后者称为三相永 磁同步电动机( 孙d s m ) a c 伺服系统。 在b d c m 交流伺服系统中，转子磁极位置的检测通常大致可分为三种方法，一种是 以三个霍尔元件在空间上按1 2 0 0 配置，来检测转子永磁体磁极位雹，系统所需要的速度反 馈信号单独由交流无刷钡4 速发电机来完成。由于测速机的输出信号平滑，所以这种系统的 低速伺服性能优良，运行平稳。这种检测方法的缺点是磁极位置检测和速度检测是由二个 独立的系统实现的，在做系统定位控制时( 需要位冕环) ，还需要加装光电编码器之类的 位置传感器，这样就又增加了电动机非负载侧的轴向长度。另一种常用的方法是磁极位 置，转子速度，系统位置三个信号由同一个具有磁极定位功能的光电编码器来实现。这种 检测方式的优点是多种信号由一个装置完成，电动机的轴向尺寸缩短，系统成本降低，使 用方便。因此，电机在低速区有较明显的速度波动，这对某些高精度应用显然是不合适 的。 在p m s m 交流伺服系统中，通常以旋转变压器连续检测转子的磁极位置。有的系 统能过高频数字化处理，解调出磁极位置和速度信号，参与系统控制，因而能获得正 弦电流驱动，这种a c 伺服系统具有十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，故 拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求【1 1 】。从a c 伺服系统所采用的电 力电子器件来说，目前，主要是采用开关频率较高的功率晶体管( g t r ) 模块以及 i g b t 、p - m 0 s f e t 等高频功率器件，这就显著提高了系统的快速响应能力，降低了运行 噪声，低速成更加平稳。 按a c 伺服系统控制电路所使用的基础器件来分，有以采用模似电子器件为主的a c 伺服系统，或以采用模拟与数字电路的混合控制形式构成的a c 伺服系统。稍后，出现以 微机为基础的数字化a c 伺服系统和以高速的数字信号处理器( d s p ) 为核心的全数字化 a c 伺服系统【”】。微机和d s p 的应用，为在a c 伺服系统中应用现代控制理论，实现复杂 沈阳工业大学硕士学位论文 的控制算法和故障诊断，提高工作的可靠性与柔性提供了强有力的技术手段，并使伺服技 术由硬件伺服进入了软件伺服的新时蝌1 3 1 。 综合a c 伺服系统的发展过程与现状，可以看出a c 伺服系统的发展趋势主要表现 为： ( 1 ) 伺服技术继续迅速地由直流伺服系统转向交流化。可以预见，在不远的将来a c 伺服系统将完全取代d c 伺服系统。 ( 2 ) a c 伺服系统向两大方向发展：一个方向是简易、低成本a c 伺服系统将迅速 发展，应用领域进一步扩大，简易数控机床、办公室自动化设备、家用电器、计算机 外围设备以及对性能要求不高的工业运动控制，这是一个量大面广的不可忽视的应用 领域。与此相反，另一个方向是向更高性能的全数字化、智能化软件伺服的方向发 展，这是a c 伺服系统的发展主流，代表a c 伺服发展的水平和主导方向，以满足高精 度数控机床、机器人、特种加工装备精细进给的需要。 ( 3 ) a c 伺服系统由以硬件模拟电子器件为主，转向采用数字电路、微处理器、 数字信号处理器，实现半数字化、全数字化，进而由硬件伺服技术转向软件伺服技 术。由于软件伺服技术的发展，极大地增强了a c 伺服系统设计与使用的柔性，同时提 供了十分丰富的自动诊断、保护、显示功能【1 4 1 。根据运行要求，可以很方便的设置参 数，增强了与上位控制机的通讯能力。 ( 4 ) 由于微机用于a c 伺服系统，在控制上由通常所采用的p i d 控制规律，开始 转向应用现代控制理论【1 5 】。注意将人工智能、模糊控制、神经元网络等新成果应用于 a c 伺服系统的研究工作。 ( 5 ) a c 伺服系统中所用的电力电予器件不断向高频化方向发展，智能功率集成电 路将进一步得到普遍应用。逆变器将逐渐转变为高频化、小型化的无噪声逆变器。 ( 6 ) a c 伺服系统中所用的位置与速度传感器由单一功能向多功能一体化方向发 展。光电编码器的分辨率将大幅度提高，每一转输出的脉冲数由数千到数万、数十 万。传感器的电子信号处理部分将以微处理器为核心构成独立的微机系统，成为高性 能a c 伺服系统的一个关键组成部分【16 】；另一方面与简易低成本a c 伺服系统的发展相 适应，小型低成本低分辨率传感器也将得到更广泛的应用。 0 【6 1 2 0 0 d 8 0 3 2 重型卧式车磨数控机床交流伺服系统的研究 ( 7 ) 永磁伺服电动机转子磁钢由采用铁氧体、稀土钴转向更多的应用钕铁硼，使 电机具有更好的性能价格比。 ( 8 ) 在a c 伺服系统控制的制造上，结构日趋小型化，采用多单元组合构成多坐 标轴控制器，大板结构，可靠性进一步提高，便于维护及扩充。 2 1 世纪是一个崭新的世纪，也定将是各项科学技术飞速发展的世纪。相信随着材 料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电 机制造工艺水平的逐步提高，伺服控制技术将会迎来又一大好的发展时机f 1 7 】。 1 4 现代鲁棒控制理论的发展状况 在经典控制理论中，被控对象的频率特性是设计控制系统的主要依据，整个系统的性 能指标也是通过引入控制器来整定开环系统频率特性的方法而实现的。由于被控对象的频 率特性通常是靠实验测试等手段获得的，因此，不可避免地带有不确定性。这就导致经典 控制理论设计的控制器，在很大程度上必须依靠现场调试，才能获得满意的控制性能。而 基于状态方程的数学模型为主要设计依据的现代控制理论，则依靠线性代数、微分几何及 最优化方法等严谨的数学工具，采用数学解析的手段来设计控制系统。同理，通常用机理 推导和模型辨识等手段得到的数学模型同样带有不确定性，所以，通过严谨的数学手段设 计出来的控制器，在实际运行时，其理论上预期的性能指标仍然不能完全实现。而且基于 现代控制理论设计的控制器，其现场调试更为复杂，有时甚至显得无从下手。这就对现代 控制理论提出了一个非常重要的课题鲁棒控制。 早在经典控制理论中，鲁棒性问题就已经引起人们的重视。不过直至现代控制发展的 后期，对鲁棒性问题的研究还停留在定性分析的程度。但从2 0 世纪8 0 年代初起，在现代 控制理论的框架上迅速发展起来的鲁棒控制，则开始在建立数学模型和设计控制器的过程 中积极地考虑不确定性，并对其影响给出了定量的结论。要2 0 世纪最后2 0 年中诞生并成 熟的这种鲁棒控制，其基本思路就是将含有不确定的被控对象表现为一个系统集，既基于 有关不确定性的不完全信息构造表现该系统含集的数学模型，再根据该模型设计能够使系 统集中所有的成员即被控对象满面足期望性能指标的控制器【噶l 。为了区别这种鲁棒控制与 早期的有关鲁棒性问题的理论，我们称之为现代鲁棒控制理论。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 5 本论文的主要工作 车磨床产品开发任务中伺服系统的设计工作是整个控制部分的关键。由于三相永磁交 流电机( p m s m ) 具有优越的低速伺服性能，因而被用于数控机床等高性能伺服驱动系统 中。按照常规永磁同步伺服系统的设计经验，如对电动机的初步设计、电流传感器、速度 传感器和位置传感器的选用，及控制系统的建模等。总体来说就是要建立起以永磁同步电 动机为核心，结合传感器、电力电子器件和控制单元，组成的一个较复杂的控制系统。需 要解决许多方面的问题才能得以确定，论文所要做的工作主要从以下几个方面展开： 1 5 1 机床的整体构成 根据机床的整体结构，确定出与其相适应的伺服系统，确定伺服电动机、控制器的型 号和位置，以保证整个控制系统的完整一致，适应机床伺服驱动的要求。 永磁同步电动机：采取典型结构是内转子结构，转子为表面永磁体结构，定子为标准 结构。电机为密闭、自冷、端面安装结构。安装形式为m m 5 。 表1 1 永磁同步电动机性能参数 伽1 1p e 墒i l i 】c ep a m i 咖o fm d s m c 瓤6 1 2 0 0 d 8 0 3 2 重型卧式车磨数控机床交流伺服系统的研究 1 5 2 控制系统的分析 ( 1 ) 稳态分析：通过稳态相量模型进行稳态分析； ( 2 ) 动态分析：利用转子参考坐标进行对瞬态特性的动态分析。 1 5 3 控制系统的建模与结果分析 建立数学模型，在基本假定条件下较严密地建立p m s m 的数学模型，并设计出h 。控 制器，通过分析并与p i 控制器做出比较。 基于m a t l 曲建立起永磁同步电动机的控制系统模型，进行仿真试验，由于数学模型的 建立不可能十分准确，而且工艺方面也同样存在不可避免的误差，仿真性能与理论结果肯 定会存在偏差。结合控制系统对样机进行试验，对试验结果进行分析研究，找出形成偏差 的原因，从而进一步校正和完善系统的设计。 沈阳工业大学硕士学位论文 2q m 巧1 2 0 0 d 8 0 3 2 重型卧式车磨数控机床 2 1c m k 6 1 2 0 0 d 8 0 3 2 重型卧式车磨数控机床的结构特点 数控机床是一种高度自动化的机床，在数控机床上可以自动控制运动部件的位移量和 自动执行各种辅助功能，如主轴启停、主轴变速、进给变速、刀具更换和冷却液开闭等。 数控机床既可以控制运动轨迹位移量也可以控制各种功能的开关量。 c 伽k 6 1 2 0 0 d 8 q 3 2 重型卧式车磨数控机床是专为加工大型电机转子部件而设计，兼 有车、磨、铣多道工序于一体的加工能力。该机床的结构如图2 1 所示。 图2 1 数控机床的结构图 f i 辱2 11 k 踟l c t i n d 姆m o f m 1 e f i c a l i 删m a c l 妇 图一圉一 一冈一 图2 2 数控机床的控制框图 f i g 2 2c o n 仃d ld i 驴m0 f m m 甜c a lc 伽响lm i d 血* c 瓤6 1 2 0 0 d 8 0 3 2 重型卧式车磨数控机床交流伺服系统的研究 此机床的主运动为花盘的旋转运动，进给运动为左右刀架的移动。左刀架为车削刀 架，右刀架为磨削刀架，完成磨削功能。机床并同时具有能完成铣轴和绕线电机钻削电轴 孔等功能。辅助运动为尾座和套筒的移动。本机床共有1 9 台各类电机。 传动由7 5 k w 的直流电机经过齿轮减速，弱磁调速与调压调速后，使主轴获得了较宽 的调速范围，因此花盘调速实现了宽调速性能，全数字化。该机床的控制框图如图2 - 2 所 不o 2 2c m 隧1 2 0 0 d 8 0 3 2 重型卧式车磨数控机床伺服系统的结构特点 刀架的x 、z 轴方向均由交流伺服电动机驱动，为全闭环控制；铣头y 轴也是交流伺 服电机全闭环控制。全闭环控制时在终端所采用直线传感器为德国海德因公司生产的光栅 尺。整个数控系统c n c 采用高性能西门子s 肌7 m e r i k 8 4 0 d 数控系统。伺服控制系统图 如图2 3 所示。 直线位置传感器 图2 3 伺服控制系统图 f i 昏2 3s y s t 哪l 出l 弘吼o f s e n r os y 妇m 图中：8 4 0 dc n c 系统中完成伺服系统的位置控制器的比例p 运算，输出为进给轴的 速度指令；伺服驱动器中完成速度与电流控制器的p i 运算，驱动交流伺服电机运动，从而 带动机械移动部件移动，再由直线光栅尺检测出实际移动的距离，而后反馈给8 4 0 d 系 统。与其中的位置指令相比较，看看是否达到预定的位置，以决定下一步动作。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 伺服控制系统的设计 3 1 伺服系统的概念 伺服系统是联接数控系统( o 屺) 和数控机床( 主机) 的关键部分，它接受来自数控 系统的指令，经过转换和放大，驱动执行元件实现预期的运动，并将运动结果反馈给控制 系统，由控制系统进行比较、判断以控制执行部件的运动【嘲。伺服系统的性能直接关系到 数控机床执行件的静态和动态特性，影响其工作精度，负载能力，响应快慢和稳定程度 等。所以，伺服系统被视为一个独立的部分，与数控系统和数控机床( 主机) 并列为数控 机床的三大部分。 按i s o 标准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 变量的值紧密地响应输入量的值。它与一般机床进给系统有着本质的不同，进给系统的作 用在于保证加工能继续进行，不能全面控制执行的位移和轨迹。伺服系统可以根据一定的 指令信息，加以转换和放大，通过反馈能控制执行件的速度和精确位置以及一系列位置所 形成的轨迹刚。 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。目前在数控机床上，驱动元件主要是各种伺服电动机团】。在小型和经济型数控机床 上经常使用步进电动机。伺服系统是一种反馈控制系统，它应具有备良好的静态特性和动 态特性。 3 2 交流伺服系统的控制形式 交流伺服系统在工业自动化领域的运动控制中扮演了一个十分重要的角色。随着应用 场合的不同，对交流伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。因而，在实际应用中，交流 伺服电动机有各种不同的控制形式圈。 从被控制量来说，这些控制形主要有：转矩控制，电流控制、速度控制、位置控制。 ( 1 ) 转矩控制电流控制。有些负载，例如螺栓拧紧机构，只需要交流伺服电动机提 供必要的紧固力，并根据需要紧固力的大小来决定伺服电动机的转矩控制和转矩限制，而 对伺服电动机的速度和位置是没有要求的。在这种应用场合，就应该采用转矩控制形式。 又由于在交流伺服系统中，交流电动机的永磁转子磁极位置通过位置传感器测量出来，并 伽( 6 1 2 0 0 d 8 0 3 2 重型卧式车磨数控机床交流伺服系统的研究 以此信号作为电流控制的依据，从而实现磁场和电流两者的正交控制。在这种情况下，交 流伺服电动机所产生的电磁转矩与电枢电流成正比，故转矩控制实际上也就是电流控制。 ( 2 ) 速度控制。在速度控制形式中，是要求对交流伺服电动机在各种运行状态下的 速度加以控制，以满足负载的工作要求，这是应用范围很广的一种控制形式。 交流伺服电动机所产生的电磁转矩只有比负载转矩还大，才能使电动机及其负载实现 加速。在l = 0 时，电动机的电磁转矩与负载转矩之差，即为动态加速转矩。 交流伺服电动机速度控制系统的速度控制器通常采用比例积分控制规律，对于这样的 速度控制系统动静态性能的分析，可以采用工程上常用的波德图。通过绘制系统开环传递 函数的对数幅频特性和相频特性，找出波德图上的截止频率吐以及过国，点对数幅频特性 斜率和相移角，不评价系统的性能，通常对一个速度控制系统来说，要求国，处有 一2 0 d 日d 醯的幅频特性，相移角滞后量为一1 4 0 0 一1 6 5 0 。国较高时，系统的输出响应就 较快，反之由于较高频率通过比较困难，系统的响应自然也就变慢了。从波德图上大致可 以获得以下有用的信息；响应时间、超调量和对负载扰动的抑制能力( 恢复时间和最大速 降) 等。 ( 3 ) 位置控制。交流伺服电动机位置控制系统，从定位要求来看，最好将位置传感 器直接安装在要定位的机械上，实现所谓全闭环控制。但在实际上，能够在被拖动的机械 上或在与被拖动机械作相对运动的机械上直接安装传感器的情况太少，这是由于不便于安 装，而且也特别担心被拖动机械的振动和变形而对位置控制系统产生不利的影响。基于上 述情况，一般在实际应用中多采用半闭环控制方式，将位置传感器安装在交流伺服电动机 非负载侧的一个轴端上。通过测量交流伺服电动机轴的转角，来间接测量被拖动机械的实 际位移，从而实现位置伺服控制。目前，应用较普遍的位置传感器有各类编码器、旋转变 压器等。 假如，在交流伺服电动机轴上安装的位置传感器每运动一周能产生n 个输出脉冲，那 么，电动机转子的转角口和位置传感器的输出脉冲数n 之间有如下关系： 。：f 旦b l 2 石j ( 3 1 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 式中：口单位为弧度( ，耐) 因此，交流伺服电动机的角位移可由位置传感器输出的脉冲数来代表。控制脉冲数， 也就控制了电动机的角位移。通过对脉冲个数做加法运算，从而达到控制电动机转角位移 的目的。所以，这种控制方法又称为增量式位置控制。 若位置传感器所产生的输出信号分别对应于交流伺服电动机的转子角位移只，以， 以，以，就可以进行绝对位置控制。 在增量式控制方式中，电动机转子角度的增量值正好对应于一个脉冲，在交流伺服电 动机的位置控制系统中，位置控制系统的增益设计应保证系统的位置控制精度在1 个脉 冲之内】。显然，位置( 用弧度或脉冲数来表示) 是速度( 俐j 或尼芦) 的积分，或者 说速度是位置的微分。 通常，位置控制器采用比例控制规律。为保证位置控制精度和良好的跟踪性能，要求 速度环具有足够高的增益和通频带。交流伺服电动机位置系统的框图见图3 1 所示。 图3 1 位置控制系统框图 f 吕3 1s ) 嗒t 瞰id i a g r 锄o f p 砸o n c 0 曲d s ) 曹咖 在图3 - ：h 中，曲线1 为输入的阶跃位置指令信号，曲线2 为实际位置信号，图c 中 曲线3 为角速度信号。在图3 2 b 中，位置指令信号为一时间函数，要求交流伺服电动机系 统的实际位置能很好地跟踪位置指令的变化，二者之差即为位置跟踪误差，通常由下式求 出： p ：生( 3 2 ) k p 式中：p 一位置跟踪误差，通常以弧度或脉冲数表示； k 。一位置环比例增益； a 胍6 1 2 0 0 d 8 0 3 2 重型卧式车磨数控机床交流伺服系统的研究 ，l 交流伺服电动机进给时的指令角速度( 脚s 或朋s ) 。 图3 2 交流伺服电动机的位置响应 f i 昏3 2 p 吣i 矗0 i l 代s p 帅o f a cs e r v o m o 断 a ) 、b ) 时间一角度曲线c ) 、d ) 时间一角度曲线 1 ) 、位置指令2 ) ，实际位置3 ) 、角速度曲线 在位置控制系统中，控制信号的形式通常有两种：一种形式是采用位置、速度等数据 指令；另一种形式是脉冲列。 数据指令控制方式的位置控制系统框图如图3 3 所示。 由伽或数码开关等生成的位置指令或控制信息送入到控制器作为位置指令并存入 寄存器，寄存器所存的位置指令值输入到减法计数器，与交流伺服电动机当前的实际位置 相比较，其差值再送到a 变换器，功f a 的输出作为交流伺服电动机的模拟速度指令。在 a ( 控制 数据) 【田 v 司什i 图3 3 数据指令方式位置控制系统框图 f i 昏3 3s ) ，s t c l n b k kd i a g o f d a l a0 r d e r m d d e 删咖c o 咖l 沈阳工业大学硕士学位论文 速度指令的作用下，交流伺服电动机旋转。当伺服电动机的实际位置越接近指令位置时， 减法计数器和d 忱变换器的输出也随之变小，一直使电动机旋转到实际位置和指令位置一 致时，才停止运动。图3 4 表示脉冲列作为控制信号的位置控制系统框图。 图3 4 脉冲列作为控制信号的位置控制系统框图 f i 晷3 4 s y s 咖b l o c k d i a 黜o f p o s m c 昀1w t l 胁p u l s e g r o u p j s o o f 血o l 啦叫 c 弧6 1 2 0 0 d 8 0 3 2 重型卧式车磨数控机床交流伺服系统的研究 4 永磁同步交流伺服电动机 与传统的电励磁电机相比，永磁电动机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，动行可 靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸灵活多样等显著优点。因而应 用范围极为广泛，几乎遍及航空航、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。 4 1 永磁同步伺服电动机的总体结构 永磁同步伺服电动机是交流伺服系统的执行驱动部件，其结构如图4 1 所示。电机主 要由转子和定子两大部分组成。而转子上装有特殊形状的永磁体，用以产生恒定磁场。转 子上装有永磁材料可以是铁氧体或稀土永磁材料。高性能而价格适宜的永磁材料为提高伺 服电机的伺服性能和实用化提供了有利条件。由于在转子上没有励磁绕组，由永磁体产生 磁场，因而不需要引入励磁电流，电机内部发热只取决于电枢电流例。在电机的定子铁芯 上绕有三相电枢绕组，接在可控制的变频电源上。在结构上定子铁芯裸露于外界空间，因 此散热情况良好，也使电动机易于实现小型化和轻量化。 234 图4 1 永磁同步伺服电动机的结构 f i 昏4 1s 缸咖o f p c n 啪咖i 唧e t 唧h d i l o l 塔r v om o 缸 1 k 检测器( 旋转变压器) 2 ) 、永磁体3 ) 、电枢铁心4 ) 、电枢三相绕组5 ) 、输出轴 4 2 永磁同步电动机转子磁路结构 转子磁路结构不同，则电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也不同。 按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为三种：表面 式、内置式和爪极式圆。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 表面式。又分为凸装式和插入式两种。其转子磁路结构的制造工艺简单、成本 低，应用较为广泛，尤其适用于矩形波永磁同步电动机。但因转子表面无法安放起动绕 组，无异步起动能力，不能用于异步起动永磁同步电动机。 ( 2 ) 内置式。这类结构的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间 有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或( 和) 起动作用， 动、稳态性能好，广泛用于要求有异步起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。内置式 转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于 提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩速嘲。 ( 3 ) 爪极式。其转子结构永磁同步电动机的性能较低，又不具备异步起动能力，但 结构和工艺较为简单。 4 3 永磁同步伺服电动机的数学模型 永磁同步伺服电动机的数学模型文献口刀给出了永磁同步电机的电压、电流、磁链以 及运动方程，在此基础上，以经内环( 电流环) 整定之后的永磁同步电机为被控对象，采 用定子电流的d 轴分量以= 0 的矢量控制方法，在这种方式下，整个电流都是用来产生转 矩的，可以实现静态解耦控制。在d g 坐标系下，把速度国、q 轴电流f a 和负载转矩五 作为状态变量，可以得到p h 假m 的状态方程和输出方程如下： 量= 血+ 砌( 4 1 ) 国1 x = i l ，一= k j 】，= q 曰 p 。y r 1 jjj 一丝一生o l ql l ooo ( 4 2 ) ( 4 3 ) c 呱6 1 2 0 0 d 8 0 3 2 重型卧式车磨数控机床交流伺服系统的研究 曰= o 1 厶 o ，= ，c = 【1 oo 】。 ( 4 4 ) 4 4 永磁同步伺服电动机的矢量控制 4 4 1 矢量控制的基本原理 矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制，根据永磁同步电机的用 途不同闭，电机电流矢量控制方法也各不相同，可采用的控制方法主要有= 0 控制、 c o s 妒= 1 控制、恒磁链控制、最大转矩电流控制、弱磁控制、最大输出功率控制等。 若能够通过电动外的控制系统，即通过外部条件能对电枢磁通相对励磁磁场进行空间 定向控制，就可以直接控制两者间的空间角度，将此称为磁场的“角度控制”。若对电 枢电流的幅值也能直接控制，就可将永磁同步电动机模拟为一台他励直流电动机，可以获 得与直流电动机同样的调速性能。由于既需要控制定子电流空间相量的相信，又需要控制 其幅值，所以称为“矢量控制”。当永磁体的励磁磁链和直、交轴电感确定后，电动机的 转矩便取决于定子电流的空间矢量，而f ，的大小和相位又取决于和，也就是说控制 和便可以控制电动机的转矩。一定的转速和转矩对应于一定的+ 和。，通过这两个 电流的控制，使实际和跟踪指令值+ 和，便实现了电动机转矩和转速的控制p q 。 为进一步分析矢量控制和磁场定向，下面结合永磁同步伺服电动机先由传统的稳态相 量模型来阐述基本概念和进行稳态分析。然后，再利用转子参考坐标( 砌模型) 进行对瞬 态特性的动态分析。 4 4 2 永磁同步伺服电动机矢量控制的稳态分析 为使问题简化，先来考虑凸装式永磁电动机的稳态特性，在分析瞬态特性时，再考虑 凸极效应。凸装式永磁电动机的稳态特性可用图4 2 所示的等效电路和时间相量图来分 析。图中，标有下标s 的电压电流实际上指的是a 相外电压和电流。，为电流，。和空载电 动势或间的时间相位差。若t 超前或，则y o ；若t 滞后于或，则有， o 时，定子电流t 对永磁体有去磁作用；当， 时，l 矽( ，) i 的次优解旧。把形( s ) 作为系统的一 部分，把增广被控对象的数学模型的形式写成状态空间形式如下： 叠( f ) = 彳x ( 力+ 曰l ，( f ) + 最( o ：( f ) = c l x ( f ) + q 2 “( f ) ( 6 4 ) j ，( f ) = g x + d 2 i ”( f ) 驰阱黠针雕 当增广被控对象g ( s ) 满足一定条件时，用d g k f 算法，能够求解如下的代数硒c c a t i 方 4 7 x + 兄4 + x ( 且且7 一岛易7 ) x + c 1 7 q = o ( 6 5 ) 4 】，+ _ 7 + 】，( c l ，c ；+ c ，c ：) y + 蜀蜀7 = o ( 6 6 ) 如果式( 6 5 ) 有半正定解x o 使 一十( 曰。口j 一曰：彰) x 稳定，式( 6 6 ) 有半正定解】，o 使爿+ ( 矸c 1 一q c 2 ) y 稳定， 并且k ( 硼 1 那么可获得次优的日。控制器： 置= p 班一1 。鬈嘲：也班 ( 6 1 7 ) 一( 1 一1 埘l 通过m a l l 。a b 软件中的鲁棒控制工具箱b i l s tc 叫的l i b 0 x ) ，很容易就可以求出 鲁棒控制器足( j ) 。 6 - 2 基于m a 廿曲永磁同步电机控制系统建模仿真 永磁同步电动机广泛应用于伺服驱动系统。因为其具有下列优点：无电刷和滑环、低 转子损耗，较高运行效率。同样体积的电机，永磁电机可输出更大的功率；转动惯量小， 可获得较高的加速度；转矩脉动小，可得到平稳的转矩，尤其在极低的速度下能满足有高 c 瓤6 1 2 0 0 d 8 0 3 2 重型卧式车磨数控机床交流伺服系统的研究 精度位置控制的要求；零转速时有控制转矩，可做到高速运行，效率、功率因数高。永磁 交流伺服系统代表了电伺服技术的发展方向【4 3 1 。永磁同步电动机构成的永磁交流伺服系统 中的电流环、速度环和位置环的反馈控制已全部数字化。因此，建立有效的永磁同步电动 机伺服控制系统的仿真模型成为电机控制算法设计人员迫切需要解决的问题。在m 砒l 曲中 进行永磁同步电动机建模仿真方法的研究已经受到关注。本文在分析永磁同步电动机数学 模型的基础上，借助于m a t l a b 强大的仿真建模能