高速滚珠丝杠伺服系统仿真与智能控制算法研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.89MB 63 页 15积分

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摘要

为了适应以高主轴转速、快进给为特征的高速切削加工的需要，缩短国内在

高速滚珠丝杠副的制造检测环节方面与国外的差距。上海理工大学自行设计完成

了高速滚珠丝杠实验台，该实验台可以对高速滚珠丝杠在运行过程中的扭矩，重

复定位精度，反向误差，温升，噪声等参数进行测试，从而评价高速滚珠丝杠的

综合性能。

本文就以高速滚珠丝杠实验台的伺服系统为研究对象。首先，介绍了高速滚

珠丝杠实验台的机械系统与电气控制系统。其次，研究了高速滚珠丝杠伺服系统

的原理,着重分析了永磁同步电机的结构和工作原理及其数学模型；交流伺服系

统的组成及原理；电流滞环 SPWM 控制技术。再次，设计了位置调节器、速度

调节器，SPWM 逆变器模块等模块，构建了高速滚珠丝杠实验台电气传动系统

的Matlab 仿真模型。研究了高速滚珠丝杠实验台机械系统的 Matlab 仿真模型，

并对电气、机械系统参数进行了计算。在 Matlab /Simulink 环境下，结合机械电

气两部分的模型构建出了高速滚珠丝杠实验台伺服系统仿真模型，并进行了仿真

研究。结合实验与仿真研究分析了对系统的动态性能产生影响的因素。得出：当

改变等效扭转刚度系数 K和等效转动阻尼系数 c0使系统固有频率ωn及阻尼比ξ

改变时，对系统的快速性，相对稳定性都会产生影响。最后，研究了模糊控制理

论与模糊控制器的设计方法，设计了模糊 PI 自整定控制器，用模糊 PI 自整定控

制器替换原先仿真模型中的速度调节器模块，在 Matlab /Simulink 环境下，对采

用模糊 PI 自整定控制的高速滚珠丝杠伺服系统进行了 MATLAB 仿真。得出的结

论是该系统吸收了模糊控制和 PI 控制的优点，能够通过模糊控制规律，自动整

定速度调节器输出的 PI 参数。响应速度快，其速度超调量很小，稳态后系统控

制精度较高。

关键词：高速滚珠丝杠实验台交流伺服 Matlab 仿真模糊控制

ABSTRACT

In order to meet the needs of high-speed cutting characterized by high spindle

speed and fast feed, university of Shanghai for Science and technology designed a

high-speed ball screw test bench, which shortened test level of high-speed ball screw

compared with foreign countries. Comprehensive performance of high-speed ball

screw can be evaluated by measuring torque, repeat positioning accuracy, reverse

error, temperature, noise and other parameters during its operation.

This paper researched control system of high-speed ball screw test bench. Firstly,

hardware and software configuration is introduced. Secondly, servo theory of

high-speed ball screw system is researched, focusing on analyzing structure and

principle of PMSM and about its mathematical model, current, speed, position

controller,current hysteresis SPWM control theory, dynamic performance influenced

by tuning PI controller parameters. Thirdly, simulation model of position controller,

speed controller, SPWM inverter is built and are calculated system parameters. In

Matlab / Simulink environment, high-speed ball screw servo system test bench model

is built by the two parts of the system and present that rapid and stability performance

of system have an impact on natural frequency ωnand damping ratio ξ tuned by

rotational stiffness coefficient K and damping coefficient c0. Finally, fuzzy control

theory and method of designing fuzzy controller is studied. Then design Fuzzy speed

PI controller replacing speed controller of the original module. Matlab simulation of

high-speed screw ball servo system by fuzzy PI controller is made. Concluded that the

system has the advantages of fuzzy control and PI control, output parameters of PI

speed controller is given automatically through fuzzy control law, response speed is

fast, its speed overshoot is very small, steady-state precision of control system is high.

Key words: High-speed ball screw test bench, AC servo, Matlab

Simulation, Fuzzy control

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................. 1

§1.1 课题研究背景与意义 ................................................................................... 1

§1.2 高速滚珠丝杠实验台简介 ........................................................................... 2

§1.3 交流伺服系统的控制算法国内外发展现状 ............................................... 5

§1.4 本文的主要内容和研究工作 ....................................................................... 7

第二章高速滚珠丝杠伺服控制原理 ......................................................................... 8

§2.1 永磁同步电机的结构和工作原理 ............................................................... 8

§2.2 永磁同步电机的数学模型 ........................................................................... 9

§2.3 高速滚珠丝杠交流伺服系统的原理 ......................................................... 13

第三章高速滚珠丝杠实验台系统建模与实验研究 ............................................... 18

§3.1 高速滚珠丝杠实验台伺服系统的 MATLAB 建模 ...................................18

§3.1.1 MATLAB/SIMULINK 仿真软件介绍 .............................................. 18

§3.1.2 高速滚珠丝杠电气传动系统仿真模型 ........................................... 19

§3.1.3 高速滚珠丝杠机械系统仿真模型 ................................................... 22

§3.1.4 高速滚珠丝杠实验台机械系统参数计算 ....................................... 23

§3.1.5 高速滚珠丝杠实验台电气传动系统参数计算 ............................... 27

§3.2 高速滚珠丝杠实验台运行性能的实验研究 ............................................. 31

第四章高速滚珠丝杠伺服系统模糊控制仿真 ....................................................... 37

§4.1 模糊控制理论的发展 ................................................................................. 37

§4.2 模糊控制的数学理论基础 ......................................................................... 38

§4.2.1 模糊集合 ........................................................................................... 38

§4.2.2 模糊集合的表示方法 ....................................................................... 38

§4.2.3 隶属函数 ........................................................................................... 39

§4.3 模糊控制器的组成和原理 ......................................................................... 40

§4.3.1 模糊控制器的结构 ........................................................................... 40

§4.3.2 模糊控制器的基本组成 ................................................................... 41

§4.3.3 模糊控制器的设计 ........................................................................... 42

§4.4 高速滚珠丝杠实验台的模糊 PI 控制器设计与仿真 ................................45

§4.4.1 MATLAB 模糊逻辑工具箱 ...............................................................45

§4.4.2 高速滚珠丝杠实验台模糊控制器设计与仿真 ............................... 46

第五章总结与展望 ................................................................................................... 57

参考文献 ..................................................................................................................... 58

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 60

致谢 ............................................................................................................................. 61

第一章绪论

§1.1 课题研究背景与意义

以高主轴转速、快进给为特征的高速切削加工，由于切削力随切削速率的增

加而下降、切削带走的热量多、刀具寿命长、工件振动小、加工表面质量高、可

大幅度缩短制造周期等优点，已成为金属切削加工技术的发展趋势。采用大导程

精密高速滚珠丝杠传动和采用直线电动机驱动系统是高速数控机床、高速加工中

心常用的两种实现进给驱动系统高速化的驱动方式。

世界的知名企业例如日本的NSK公司、THK公司，我国台湾的HIWIN公司，

在20世纪末把精密高速滚珠丝杠副的系列产品推向市场。例如日本NSK公司推出

的用于高速加工中心的HZC、HZF、HDF系列精密高速滚珠丝杠副，直径Φ36~

Φ55mm，导程16~30mm，

d0n值150000，最高进给速度100m/min，加速度达到1.3g。

德国AM公司的滚珠丝杠副的线速度可达100m/min。我国台湾的PMI银泰科技公

司在CIMT99第六届中国国际机床展览会上推出双头、三头高速滚珠丝杠副系列

产品，线速度100～120m／min，噪声约76dB。

精密高速滚珠丝杠副的特点是无间隙、无爬行、高刚度,具有较高的快速响

应特性和同步性，采用现代化制造技术可达到国家标准P1级以上精度，具有优良

的高速特性,相对于直线电动机的优点是：传动效率高η＞90%,节能、省电,对环

境无污染,高速化成本低,具有较高的性能价格比，工作可靠,对周边环境的适应

性较强。直线电动机的控制系统复杂,它处于全封闭控制,当工作负载变化以及

自身的“ 端部效应” 都会影响系统的稳定性；强磁场对周边产生磁干扰,影响

滚动直线导轨副的寿命,也给排屑、装配、维修等带来困难；发热大,在机床内

部散热条件差,造价昂贵,成本高；需要解决隔磁、防护、冷却、自锁、制动等

问题。

但是众所周知，精密高速滚珠丝杠副作为“滚动化”的机械传动装置，有其

先天性的不足：轴系的弹性变形、机械摩擦磨损使进给系统产生滞后现象和非线

性误差，在高速运行的情况下，要引起滚珠丝杠振动，温度升高，噪声加剧，产

生热变形，导致对滚珠丝杠的动态性能产生影响。

因此，对高速滚珠丝杠副的定位精度、噪声、温升、加速度、动态刚度等进

行试验研究，对企业提高产品的质量有着巨大的作用。目前国内在这些方面与国

外差距很大，只有北京机床研究所、汉江机床厂、南京工艺装配制造厂、山东济

宁博特精密丝杠有限公司等单位展开了这方面的研究工作。很多生产制造单位连

检测手段都欠缺，于是设计无法验证，生产工艺没有改进依据，生产设备无法调

试，所有环节都不能很好地满足要求。上海理工大学的教师意识到上述问题后，

认为完善检测技术对发展我国的高速滚珠丝杠副的制造技术是很有必要的。于是

自行设计制造了一台高速滚珠丝杠综合性能实验台，目的是通过实验来测试高速

滚珠丝杠副在高速驱动时，能否满足定位精度要求，温升与热变形是否严重，从

而来评价高速滚珠丝杠的综合性能。

在进行高速滚珠丝杠电气控制系统设计和调试工作中，西门子MasterDrive

伺服驱动器在驱动高速滚珠丝杠高速运行时，伺服电机的动态性能不是非常理

想。传统PID控制器对高速伺服调节性能不佳，针对上述问题，确定了研究课题。

高速滚珠丝杠伺服系统仿真与智能控制算法研究

对高速滚珠丝杠实验台的伺服系统进行仿真，研究对伺服系统动态性能产生影响

的因素以及控制器PID参数的整定对系统的动态性能的影响规律；研究具有更好

控制性能的先进智能控制算法，以提高伺服系统运行的质量和效果。

§1.2 高速滚珠丝杠实验台简介

这台由上海理工大学自行开发的高速滚珠丝杠实验台的整体机械结构是由

交流伺服电动机 1、联轴器 2、扭矩传感器 3、工作台 4、滚珠丝杠 5、滚珠螺母

6、滚动直线导轨 7、光栅 8、与工业控制计算机等组成，如图 1-1 所示。

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图1-1 高速滚珠丝杠实验台结构简图

工作台自重为 250kg，工作台行程为 2m,设计最高进给速度 120m/min，最大

加速度为 1g。工作台正向加速时间为 0.2s，匀速运行时间为 0.8s，正向减速时间

为0.2s，停滞时间为 3.8s，总的正向进给时间为 5s，之后工作台反向运动，反向

进给时间也为 5s。图 1-2 为高速滚珠丝杠实验台的 V-t 图（示意图是以 120m/min

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摘要：

摘要为了适应以高主轴转速、快进给为特征的高速切削加工的需要，缩短国内在高速滚珠丝杠副的制造检测环节方面与国外的差距。上海理工大学自行设计完成了高速滚珠丝杠实验台，该实验台可以对高速滚珠丝杠在运行过程中的扭矩，重复定位精度，反向误差，温升，噪声等参数进行测试，从而评价高速滚珠丝杠的综合性能。本文就以高速滚珠丝杠实验台的伺服系统为研究对象。首先，介绍了高速滚珠丝杠实验台的机械系统与电气控制系统。其次，研究了高速滚珠丝杠伺服系统的原理,着重分析了永磁同步电机的结构和工作原理及其数学模型；交流伺服系统的组成及原理；电流滞环SPWM控制技术。再次，设计了位置调节器、速度调节器，SPWM逆变器模块等模块，...

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