数控机床进给系统仿真设计

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1、数控机床进给系统仿真班级：姓名：学号：摘要：进给系统是整个数控装置的重要组成部分，建立进给系统各组成部分的传递函数，并利Simulink建立了进给系统三环结构的仿真模型。在研究P—I控制器和I—P控制器的结构基础上，对基于该2种控制器的进给系统模型进行仿真比较和验证。在建立数控机床进给伺服系统数学模型的基础上，确定了伺服系统电流环、速度环、位置环。三闭环控制方案，结合手工计算和Matlab仿真给出了各环节参数具体整定的步骤，并根据仿真模型验证了系统设计的正确性。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

2、意义上，伺服系统的静、动态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，很多场合采用简化模型加经验的方法来确定调节器参数，模型的简化必将给PID参数的整定结果带来误差，同时手工计算繁琐，效率低下。本文在对数控机床进给伺服系统建模的基础上把手工计算和利用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。进给系统的精度是影响数控机床的精度主要因素，进给伺服系统根据数控装置发来的速度与位移指令信号，

3、由伺服电路做一定的转换和放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构等执行部件实现工件进给和运动，加工出所需的工件外形和尺寸，因此，进给系统的性能直接影响被加工工件的精度。P—I控制器的结构简单，参数易于调整，在长期的工程实践中，已经积累了丰富的经验。但是P一I控制还有经常被忽略的缺陷，如在位置给定阶跃变化时电流超调和位置超调过大，特别是需要频繁起制动的场合，太大的电流超调和位置超调将严重影响控制效果，影响机械加工精度，甚至损坏变流装置和机械设备。1数控机床进给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

4、械传动系统。系统组成框图见图1所示。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。其中，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。为了提高系统的性能，各环节均有调节器。工程实践中，电流环和速度环均采用PI调节器，位置环采用P调节器。三环结构设计

5、及其控制器的优劣直接关系到整个伺服驱动系统的稳定性、准确性和快速性。2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。而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。2．1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2所示。由图2可知，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

6、节，其传递函数为：Gs=L2πωn2s2+2ξns+ωn2式中：ωn=KJ0，机械系统的固有频率，其中K系统等效扭转刚度，Jo工作台与滚珠丝杠向滚珠丝杠转化的等效转动惯量。ξ=C02J0ωn,机械系统的相对阻尼比，Co等效阻尼系数。L为滚珠丝杠导程。在仿真时取.Jo=90．0754X10-4kg·㎡K=8．45×104Nm／rad，Co=0.55Nm/(rad/s),ωn=KJ0=3062.8rad/s=487.5Hz,L=0.012m2．2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

7、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id·iq·ωr·=-R/LPnωr0-Pnωr-R/L-Pnφf/J032Pnφf/J0×idiqωr＋UdLUqL-TLL(1)式中：id,iq分别为d-q坐标系上d、q轴的定子电流分量；Ud,Uq分别为d—q坐标系上d、q轴的定子电压分量；R、L分别为定子电阻和电感；ωr为转子角速度；φf为永久磁铁对

8、应的转子磁链；TL为负载转矩；J为系统的机械惯量,pn为极对数。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：iq·ωr·=-R/L-Pnφf/J32Pnφf/J0×iqωr+Uq/L-