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數控機床專用伺服電機-永磁同步電機控制策略研究及數控機床伺服系統
伺服系統作為數控機床的一個重要組成部分，其性能直接決定了機床加工性能的優劣。永磁同步電機伺服系統是目前數控機床普遍采用的高性能進給伺服系統，其核心部分是伺服驅動器所實現對電機速度和轉矩（電流）的控制，且轉矩控制更關鍵。為了能夠深入了解和掌握機床伺服驅動方法，也為給研究直接驅動方式的永磁直線電機和力矩電機等的控制提供方法論依據，本文首先對目前采用的永磁同步電機伺服驅動系統的控制策略和方法進行了研究。在建立永磁同步電機動態數學模型的基礎上，詳細介紹和分析了目前普遍使用的矢量控制的伺服控制方法原理和特點，并對id=0控制方式進行了Matlab仿真建模分析，驗證了這種控制策略的有效性。基于直接轉矩控制的成熟伺服產品所見不多，這種控制策略是目前電機控制領域眾多學者研究的熱點之一。本文在對直接轉矩控制原理深入分析的基礎上，對這種方法進行了研究。根據這種控制存在的轉矩波動大、逆變器開關頻率不恒定等問題，提出采用零矢量和空間矢量調制（SVM）進行改進。針對預測磁鏈的SVM-DTC方法，認為該方法中計算磁鏈位置角變化量時不考慮轉子旋轉和考慮轉子旋轉兩種情況下引起的轉矩角變化量可能對系統性能造成影響，并針對這幾種控制方式分別構建Matlab/Simulink永磁同步電機直接轉矩控制調速系統模型。仿真實驗驗證了這些控制方法在減小轉矩脈動上的顯著作用，并表明SVM-DTC中考慮轉子轉角變化比不考慮轉子轉角變化的預測磁鏈模型控制更加準確。在國內數控機床應用的伺服產品大多依賴進口的背景下，本文在前面研究的基礎上探討了提高機床進給伺服系統性能的伺服驅動優化方法。立足于某臥式加工中心，針對數控機床進給伺服系統采用的FANUC驅動控制系統，采用實驗方法，利用FANUC伺服系統參數優化調整軟件Servo-Guide和機床循圓誤差測量器件球桿儀Ball Bar，測量速度環、位置環重要伺服參數調整后的機床性能變化，分析總結出了部分伺服參數優化的一般方式方法，為機床廠實際的伺服優化工作提供可行的依據。