永磁同步电机在数控机床进给系统中的应用

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科技创新与应用 I 2 o l 4 年 第2 o 期
工 业 技 术
永磁 同步 电机在数控机床进给系统中的应用
曾立 群 明 江 勇
( 大冶有 色金属有限责任 公司 , 湖北 黄石 4 3 5 0 0 0 )
摘 要: 介 绍 永磁 同步 电机 在 数控 机 床 进 给 系统 中 的发展 情 况 , 分析 其 数 学模 型的 特 点之 后 , 基 于传 统 P I D控 制 , 提 出了带 干扰 观测器的给定和反馈微分的 P I D控制策略。仿真结果表 明, 该控制策略减小了超调 , 并对 负载扰动起到抑制作 用。 关键 词 : 永磁 同步 电机 ; P I D控 制 ; 干扰 观 测 器
3给定与反馈微分 P I D控制 P I D控制器具有结构简单 , 工作稳定性好 , 可 以进行模糊控制 , 方便调整等特点 , 所以被工业控制领域广泛采用。 图 3 带 干扰 观 测 器和 给 定反 馈微 分 的 P I D控 制 系统框 图 为 了减 少 系统 的 超调 量 ,设 计 了基 于 给定 和反 馈 信 号 的 T D跟 由上面分析可见 , G ( s ) 的设计是干扰观测器设 计中的一个重要 踪 微 分器 的 P I D控 制 系 统 , 系 统 控制 框 图如 图 l 。我 们 通 过 跟踪 微 环 节 。 G ( S ) 的性 能 决定 整个 干 扰观 测 器 的动 态性 能 。 观测 器 的 响应 速 分器 T D, 设定参数 , 从而得到输人信号。 但是 , 在之前地 P I D控制器 度越快 , 干扰 的抑制效果就越好 , 如何使干扰观测器获得好的动态 中, 快速性和超调的矛盾来 自未对给定输入信号做任何处理便直接 性 能 和高 的稳 定 性是 设 计 的关键 。 加到控制器中。跟踪微分器能快速无超调的跟踪输入信号 , 因此避 5仿 真结 果 验证 免 了 输入 信 号 中 的外 界 扰 动 造成 的控 制 量 的剧 烈 变化 以及 输 出超 根据 以上对 T D控 制 器 以及 干 扰观 测 器 的设 计 ,文 章 在 MA T — 调。 L A B环 境 下 对数 控 进 给系 统 进行 仿 真 研究 , 三相 交 流永 磁 同步 电机 的仿 真 参数 如 下 :转 动 惯 量 J = 0 . O 0 1 8 k g ・ m z , P 2 , B = 1 . 4  ̄ 1 0 N・ m / r ・
图 2中 G ( s ) 为对象 的传递 函数 , d为等效 干扰 , a 为观测到 的干 扰, u为 干扰 观 测器 的输 出 , c为 P I D控制 器 的 输 出 。 4 . 2 系统 总 体设 计 基于 P I D控 制 和干 扰 观测 器 的 原理 , 文章 设 计 的带 干扰 观测 器 和给 定 反馈 微分 的 P I D控 制 系统 框 图如 3 所示。
1引 言
随着 数 控机 床 的 不断 更新 和发 展 , 原 始 的 动力 方 式 已 经无 法 满 足现 在 市场 的 需求 , 逐 渐 发展 到现 今 的伺 服 系 统 。伺 服 电 机 的发 展 带动 了伺 服 系 统 的发 展 , 而 未来 数 控机 床 的发 展 趋势 是 智 能 、 高速 、 高精 度化 。 我 们 把智 能 控制 引 入 了数 控 机床 , 使 数 控机 床 更加 智 能 , 比如 以下几个学科 , 模糊控制理论 , 神经 网络等 , 都属于典型的智 能 控制 , 可 以自身进行调节 , 达到最优。 当前永磁同步伺服电机 由于其 优越 的控 制 性 能被 越 来越 多的 应用 到 数控 机 床进 给 系统 中。 2 永磁 同步 电机 数学 模 型 的建 立 永 磁 同步 电 动机 本 身 是 一 个 高 阶 、 非线性 、 强耦 合 的 多 变量 系 统, 为 了实 现解 耦 控 制 , 通 过坐 标 变换 , 可 以将 三 相 交 流绕 组 等 效 为 两相互相垂直 的交流绕组或者是旋转的两相直流绕组 , 变换后系统 变量之间得到部分解耦 ,从而使系统分析和控制得 到大大的简化 。 由于篇 幅 关 系 ,文章 对 永 磁 同步 电机 的数 学 建 模过 程 不 再赘 述 , 以 下给出解耦后 的 d q坐标系下的转矩公式 :


由带 T D的 P I D控 制 仿 真 曲线 分 析 ,可 见 文 章 提 出 的 带 T D 的 P I D控 制 可 以减 小 超调 量 , 缩 短调 节 时 间 。 P I D控制 用 于 控制 及 消 除 系 统 内部 扰 动 , 跟 踪 微 分器 T D用 于抑 制 系统 的外 部扰 动 , 实 现 了 系 统 的无 静 差控 制 , 且 适 应性 、 抗 干 扰性 强 。 4 干 扰观 测 器 的设 计 4 . 1干扰 观测 器 的基 本 原 理 干扰 观 测 器 的 基 本 理念 是 将 外 部 力 矩 干扰 及 模 型参 数 变 化 造 成 的 实 际对 象 与名 义模 型 输 出的 差异 等 效 到 控 制输 入 端 , 即观 测 出 等效干扰。 在控制中引入等效 的补偿 , 实现对干扰完全抑制 。 其基本 原 理 图 如 图 2所示 :
3 尸 m ( ‘ = 尸 m ( ‘ 一 f d ) : = 寻 号 【 l i q q - ( L a — 一 L q ) i a i q ] ( 1 )
以及 电机运 动 方 程 : t s , 3 r = 一 一 c ( 2 ) 其中 P 为 电机 极 对数 , J 为 转 动 惯量 ; T 、 T I 分 别 为 电磁 转 矩 和 负载 转 矩 ; B是 粘滞 摩 擦 系数 ; ∞ 为 机 械角 速 度 。