数控机床用智能伺服系统的设计

1 引言

　　数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石。它的生产能力和技术水平已经是衡量一个国家制造技术水平的重要标志。为了提高加工精度和加工效率，现代数控机床进给系统必须具有较高的进给速度和进给加速度。具有高速反应能力的直线伺服进给系统一“零传动”方式便应运而生。

　　直线电机伺服系统与传统的“旋转电机+滚珠丝杠”进给方式相比，虽然消除了机械传动所带来的一些不良影响，但却增加了控制的难度。直线交流伺服电动机具有耦合性、非线性、负载扰动、时变不确定性等，难以建立精确的数学模型，使用常规的PID控制器难以达到理想的控制效果。而模糊控制是一种语言控制，不依赖于被控对象的数学模型，设计算法简单、易于实现，能够直接从操作者的经验归纳、优化而得到，而且适应能力好、抗干扰能力强、鲁棒性好。本文将模糊控制应用于数控机床的位置伺服中，将模糊控制技术和传统的PID控制相结合，就能够有效地解决模糊控制存在稳态误差的缺陷。

2 直线永磁同步电机

　　直线伺服系统中的驱动电机以永磁直线电机和直线感应电机为主。直线永磁电机和直线感应电机各有优缺点，但随着铁硼(NdFeB)等高磁能积、高矫顽力磁性材料的出现，永磁直线电机更适合用于直线伺服单元驱动。

　　根据直线永磁同步电机的结构和工作原理，并忽略一些次要因素，可以建立直线进给单元的传递

3 数控机床的位置控制

　　数控机床的直线电机伺服控制系统的基本结构示意图如图1所示。该伺服系统还是采用传统的三环控制结构，分别为位置环、速度环和电流环三部分。系统输入为上位机发送的位置指令，输出为直线电机的位移。系统通过调节电动机速度来控制位移。

图1直线电机伺服系统结构示意图

　　其中，电流环的作用是稳定电流。即在加速中，始终保持允许的最大电流，提高系统快速性；抑制电流环内部的扰动，主要是来自电网的扰动；限制过大的电流，确保安全。速度环的作用是稳定速度。即使电动机转速跟随给定变化，稳态无静差；抑制速度环内的扰动，主要是负载的扰动。位置环的作用是保证直线电机的位移跟踪上位机发送的位置指令，要求要有高的快速响应能力和好的稳态精度。

　　传统的电流调节器、速度调节器采用PI调节器，位置调节器采用P调节器。经过简化后，系统的动态结构图如图2所示。在速度器的输出端配置有一个低通滤波器，是用来消除由于干扰引起的存在于速度调节器输出中的高频杂波信号。

图2直线电机的动态结构图