面向直线电机的数控机床伺服控制系统的研究与设计

【摘要】现代数控机床正朝向高速、高精度、复合、智能、绿色环保的趋势发展。伺服驱动单元作为数控机床的重要组成部分,其性能的优劣直接决定着机床的整体性能,因此,数控机床的高速发展对伺服驱动装置的性能提出了越来越高的要求。相比于传统数控机床采用的“旋转电机+滚珠丝杆”伺服进给方式,直线伺服驱动方式具有高速度、高精度及大推力的优势,在高速高精度数控系统应用中具有广阔的应用前景。本文以永磁同步直线电机为控制对象,对其特性、运行原理、控制方法策略及伺服控制系统软硬件设计等方面做了深入研究,并最终对系统进行了实验验证。本文首先剖析了永磁同步直线电机的工作原理及特性,提出永磁同步直线电机伺服系统的结构优化方案；分析伺服系统的所受的一些干扰因素,针对系统存在的干扰问题采取相应的补偿措施,从而为伺服系统的软件开发提供了可靠依据。分析坐标变换理论和矢量控制理论,对永磁直线同步电机伺服系统在同步旋转坐标系下进行了数学建模,介绍了电压空间矢量控制技术及其矢量控制系统的原理及实现,然后由内到外对伺服控制系统的电流内环、速度中环及位置外环的控制策略进行深入探讨,针对系统的特点及实际应用场合,提出了在电流内环对变动明显的动子质量进行辨识补偿,在速度中环引入模糊控制以及在位置外环采加入前馈控制,取得了比较好的控制效果。详细的介绍了以”DSP+FPGA+IPM”为核心的硬件设计方案以及绝对式光栅尺的工作原理,然后根据模块化程序设计思想,利用C语言及VerilogHDL语言分别对DSP和FPGA进行了软件编程,并给出了伺服系统主要模块的程序流程图。最后,在MATLAB/Simulink仿真环境下建立永磁同步直线电机伺服控制系统的仿真模型,进行仿真测试。然后搭建实验测试平台,对系统的重要性能进行实际实验测试,通过仿真结果及实际实验测试数据,验证了系统设计的正确性,为进一步系统优化和控制方法策略改进等后续研究工作奠定了一定的基础。
【作者】李秋林；
【导师】张平；
【作者基本信息】广东工业大学，机械电子工程，2014，硕士
【关键词】伺服系统；永磁同步直线电机；数字信号处理器；现场可编程门阵列；模糊控制；

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