基于遗传算法优化理论的伺服系统动态特性仿真与优化的-研究

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1、第1章绪论第l章绪论1．1课题的提出和意义数控机床作为集现代化制作技术、计算机技术、控制技术、液压气动技术和光电技术等机电一体化典型产品已经广泛的应用于现代加工业当中。为实现多品种，小批量的自动化生产提供了保证。数控系统通常由机床主机和控制系统组成，其中控制系统包括CNC装置、伺服系统和反馈装置。伺服系统由控制单元，伺服元件，机械传动部件和执行件及检测反馈等环节组成，是电气系统和机械系统的接口。它接受来自CNC的指令，经放大与转化，驱动执行件实现预期的运动，对机床运动进行速度位置控制，同时控制刀具相对工件的运动轨迹。因此伺服系统对机床加工产品的质量有着至关重要的影响。伺服系统作为一种反馈控制系

2、统，以控制器为核心，以电动机为控制对象，在机电设备中具有重要的地位，并且始终处于过渡过程状态。数控机床对位置伺服系统的要求包括：定位速度和轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精度：精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求主要取决于伺服系统的静态、动态特性n吲。高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快捷的驱动。随着技术的进步和整个工业的不断发展，拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取代传统的液压、直流、步进和AC变频调速驱动，从而使系统的整体水平得到了提高。由于伺服系统是数控机床进给运动的最终执行者，其性能的优劣与否以及其各个参数是否调整到最佳状态，对机床的加工精度有着重要的影响。高

3、性能的数控机床的位置伺服系统一般由位置环、速度环和电流环三个环组成，并且各个环节均设有调节器来保证伺服系统的性能，但是各调节器参数的调节一直困扰着工程技术人员，因为对调节器进行参数调节是一个整体优化的问题，同时，由于目前国内大多数伺服系统的制造生产单位和机床生产厂家缺乏对带有负载的伺服系统进行动态性能的优化分析，从而导致数控机床往往会出现超调、振荡、位置控制不精确等现象。因此，虽然伺服系统本身具有一套高精度的位置信号测试装置和控制器，也很难实现高速、高精度伺服控制的要求。伺服系统的精度以及主要参数与机床的负载有密切的关系，所以，在对伺服系统的各个参数进行仿真优化的同时把负载的影响因素考虑进去，

4、才能最大限度的确保系统的动态性能，使机床运行在最佳状态呻1。本课题的主要任务是对机床伺服系统进行建模仿真，从而分析电机的运动、北京T业大学工学硕七学位论文调节参数等对机床动态特性的影响，在此基础上重点分析研究在考虑由摩擦、弹性等非线性因素对机床动态特性的影响，并运用多学科优化理论对各个参数进行整体优化，改善系统的控制效果，实现数控机床的高速和高精度定位。1．2机床伺服系统的研究现状和分析1．2．1永磁同步电机概述在中小容量高精度传动领域，广泛采用永磁式同步电机，可用在转子上加永磁体的方法来产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化(充磁)以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这

5、既可简化电机结构，又可节约能量。由于永磁同步电机闭环控制当中需要电机转子位置，因此需要在电机轴上安装机械位置传感器。由于机械传感器的存在，增加了系统复杂程度和成本，降低了系统鲁棒性。永磁同步电机的无速度传感器控制成为现今研究的一个热点问题。永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国

6、内外学者的广泛关注。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000KW，最高转速已超过300000r／min，最低转速低于0．Olr／min，最小电机的外径只有0．8mm，长1．2mm。永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机(PMSM)调速系统；而由梯形波(方波)永磁同步电动机组成的调速系统

7、，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机(BLDCM)调速系统¨引。1．2．2对永磁同步电机的研究早期对永磁同步电机的研究主要为固定频率供电的永磁同步电机运行特性的研究，特别是稳态特性和直接起动性能的研究。上个世纪八十年代国外开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究。逆变器供电的永磁同步电机与直2第1章绪论接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻