基于永磁无刷直流电机的数控传动伺服系统建模与仿真研究

论文摘要

经过几十年的经济发展,数控机床已经成为企业使用的主要设备,随之而来的是大规模的数控设备老化、大修、更新、淘汰等问题,所以更换数控系统、数控伺服系统的维修保养,数控伺服电机的更换,是数控设备维修人员需要经常进行的工作。在这个过程中,怎样高效合理的选用数控系统、伺服电机,系统怎样取得最佳的性价比是一个比较突出的问题,需要工程人员在这个方面进行研究。因此开展数控伺服系统的机械及电气系统建模、动态性能仿真分析等方面的研究,对于合理确定伺服系统的各项控制参数,保证控制真正发挥其内在功效十分重要,同时这方面的研究工作,也是研制新型伺服系统的重要环节。无刷直流电动机作为一种新型的无级变速电机,具有结构简单,制造方便,不需要经常性维护等优点,是一种现想的变速电机。本文以无刷直流电动机作为数控伺服电机为研究起点,首先建立伺服系统的机械传动系统模型,通过建立无刷直流电机的数学模型,分析其电气性能,用传递函数办法和MATLAB软件中SIMULINK模块进行系统建模和仿真分析,从伺服电机、变速箱、丝杠、工作台、工作阻力各个方面建立了整个机床伺服传动系统的仿真模型,从而能够对系统稳定性、合理选择伺服电机型号,电机转动惯量和系统的匹配等各方面进行客观的分析与研究。伺服系统的电气控制主要是基于电流环、速度环位置环的三环反馈系统,而三环调节器都是使用PI调结器或P调解器,本文先对各种调节器进行建模,通过仿真软件对各个环节的电气性能参数进行模拟整定,对影响伺服进给系统动态性能的因素进行了详细的仿真分析,找出影响进给系统动态性能的主要因素。其结果对于合理确定伺服系统的各项参数,保证系统发挥其内在功效十分重要。利用Simulink/Power System下的各个模块,建立无刷直流电机控制系统仿真模型。分析其结果和理论分析基本一致,它为进一步分析研究无刷直流电机控制系统提供有效的工具,加快了实际系统的设计调试过程。PID控制器虽然结构简单,但在克服较大扰动影响,提高系统动态品质等方面并非最优,光靠调整PID参数难以获得满意的控制效果。模糊集合理论是一种具有处理语言信息能力的控制理论。根据模糊集合理论设计的模糊控制器,能够模仿操作人员手动控制作用,它不要求已知受控对象的数学模型。只需现场操作人员的经验知识,使模型难以确定的复杂系统得以有效的控制。本文根据模糊控制理论设计了模糊控制器,并将PID控制和模糊控制相结合,用于直流双闭环调速系统。通过仿真软件实现了仿真过程分析,通过与传统PID控制进行比较观察,模糊控制对系统控制效果,抗扰性能、响应速度,动态性能好等各方面有更好的优点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 机床数控伺服系统现状分析
• 1.1.1 数控伺服系统的基本概念、组成和工作原理
• 1.1.2 数控伺服系统的类型及其优缺点
• 1.1.3 数控伺服电动机的发展现状
• 1.2 现代智能控制理论特点概述
• 1.3 无刷直流伺服电机原理概述及现状分析
• 1.3.1 无刷直流电机原理概述
• 1.3.2 国内外现状分析和课题研究起点
• 1.4 本课题研究的主要任务和方法
• 1.4.1 本课题研究任务
• 1.4.2 研究方法
• 第二章 基于BLDCM 的伺服机械进给系统建模与仿真
• 2.1 无刷直流伺服电动机
• 2.1.1 无刷直流电动机工作原理
• 2.1.2 无刷直流电动机工作过程
• 2.1.3 无刷直流电动机的数学模型
• 2.1.4 无刷直流电动机的传递函数模型
• 2.2 机电进给传动系统的建模
• 2.3 伺服电动机型号的选择
• 2.4 机电传动系统模型仿真分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于BLDCM 的三闭环调速系统的理论分析和建模
• 3.1 概述
• 3.2 PID 调节器建模与仿真分析
• 3.2.1 PI 调节器数学建模及MATLAB 仿真
• 3.2.2 PD 调节器数学建模及MATLAB 仿真
• 3.2.3 PID 调节器建模及性能仿真
• 3.3 PWM（PULSE WIDTH MODULATION）控制的基本原理及其调速系统
• 3.3.1 PWM 控制形成原理
• 3.3.2 直流PWM 伺服驱动装置的工作原理和特点
• 3.4 位置、转速、电流三闭环设计思想论述与建模仿真
• 3.4.1 有静差的转速负反馈单环调速系统的调速性能
• 3.4.2 无静差的转速负反馈单环调速系统的调速性能
• 3.4.3 基于PI 调节器的转速电流双闭环直流调速系统
• 3.4.4 位置控制单元
• 3.5 伺服系统三闭环调速控制系统建模分析
• 3.5.1 电流环的建模分析
• 3.5.2 速度环的设计及模型分析
• 3.5.3 位置环的设计及模型分析
• 3.6 伺服系统三闭环调速控制系统仿真分析
• 3.6.1 电流环参数计算及仿真
• 3.6.2 速度电流双环环参数计算及仿真分析
• 3.6.3 位置环参数计算及仿真
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于SIMULINK
• 4.1 无刷直流电机控制系统模型设计
• 4.1.1 电机控制系统各个模块的构建
• 4.2 无刷直流电机控制系统模型的建立及仿真实现
• 4.3 本章小结
• 第五章 模糊控制器在三环调速系统中的应用研究
• 5.1 模糊控制器设计理念概述
• 5.1.1 模糊控制器设计过程概述
• 5.2 模糊控制器的设计过程算法研究
• 5.2.1 模糊变量的赋值及控制规则的建立
• 5.2.2 模糊控制机理算法的实现
• 5.3 利用MATLAB 模糊控制工具箱GUI 工具建立模糊推理系统
• 5.4 模糊控制器用于复合控制仿真
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文