数控伺服系统动态特性仿真及参数优化

龙靓靓

摘 要：科学技术的进步使得工业生产慢慢进入了智能化、现代化、科技化的生产状态模式中。特别是以计算机为领导的一系列的现代生产系统逐渐取代了独立的生产系统，使得生产的各个环节能够形成统一的整体，节约时间的同时大大的提高生产效率。文章通过数控伺服系统动态特性仿真方面的介绍，以及相应的参数优化进展情况的介绍使人们能够进一步了解数控技术在目前机床生产领域中的重要作用，同时将PID参数优化理论同数控伺服系统进行很好的结合，保证动态切削系统运行更加的连贯，提高自动化的效率。进而提高数控机床的加工效率。

关键词：数控伺服系统 动态铣削 参数优化 仿真

中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（c）-0067-01

随着科学技术的发展，科技在经济发展中逐渐取得了主导地位，人们进入了知识经济的时代。在工业生产领域科学技术的应用尤为突出，例如在机床生产领域以数控技术为代表的现代自动化生产系统逐渐取代了人员手工操作，不仅提高了生产效率保证了生产质量，同时为其他领域逐渐实现自动系统运行提拱了技术经验支持。

1 数控机床交流伺服系统的历史及现状

1.1 永磁同步电机的发展

电动机在电流经过磁极后产生磁场，转子在磁场中做切割磁感线的运动。但是普通的电源技术并不能使进行自由的启动。变频电源的出现能够使得中小功率的调速系统使用在同步电动机进而保证电动机运行正常。虽然变频电源出现解决了同步电动机的问题但是由于它与异步电动机不同在电网电压下不能自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下平均的扭矩为零这就导致在生产中不能充分的使用同步电动机。但是随着技术的发展，高性能永磁材料，电力电子技术，计算机控制技术的出现将同步电动机经过技术改造转变成永磁同步电动机。加之高性能的变频电源的出现使得电动机运行逐渐同计算机连接，计算机通过一定的系统将生产设备，生产步骤进行组织安排实现自动化的控制程序。

1.2 数控机床交流伺服系统研究现状

永磁同步电动机虽然在工业生产中具有一定的技术性能优势但是同时由于自身特点使得例如耦合性，时变性，非线性使得永磁同步电动机在进行控制时不能随意的自由进行控制。很难获得较好的速度控制性能。随着时间的推移进入20世纪70年代矢量控制理论的出现解决上述问题，该理论的提出使得交流电动机第一次在电机控制理论中得到证明。矢量控制理论是采用矢量变换的控制方法，将交流电动机的磁通同转矩的控制进行解耦，进而使得永磁同步电动机的控制方法同类与直流电动机的控制形式。通过控制方式转变永磁电动机的控制性能有了进一步的提高。将永磁电动机同交流电机的控制方法的结合实现电动机在生产中自由的起动大大的提高了电动机的速度控制性能和位置控制性能，从而实现了在数控机床伺服系统中的广泛应用。提高了数控机床伺服系统的运行效率同时也大大的提高整个机床生产领域的工作效率。数控机床中交流伺服系统广泛采用（电流环、速度环、位置环）三环PID控制调节技术。但是由于传统的永磁同步电动机的控制技术采用的三环PID调节控制方式在数控机床应用实践还是发现了一些问题。例如，调节器参数整定比较繁琐同时存在相应的误差，这主要是由于传统的手工伺服需要进行系统的简化，这其中就使得系统的參数发生变化导致系统出现误差。伺服系统的解耦控制同时需要精确的数学模型，这就导致系统对于参数的依赖性较大容易，一旦参数的选择不够正确或是偏差较大时那么整个系统运行状态就会大打折扣。

1.3 数控机床切削参数优化选择现状

数控机床切削技术的应用已经在机械零件的加工领域中取得重要的地位，逐渐的取代了以手工控制为主体的传统的零件加工方式。数控机床控制下的切削系统需要进行参数的确定，随着加工零件规格的不同必须要对系统的参数进行调整进而对加工机床进行调整。参数的确定是否合理关乎到机床生产的效率，机床加工速度，以及机床加工出产品的精度。但是由于受到技术经验的限制系统参数的设定往往需要借助规范手册或是经验公式。但是由于经验公式或是参考手册中提供的参数数据往往都是在特定的实验条件下确定这就使得参数的精确性受到一定的影响。同时现行使用的参数手册的制定主要是针对于普通的机床进行参数借鉴对于水平较高的数控机床来说进一步减弱了机床的精确水平。同时由于机床操作人员技术水平的影响也使得机床在参数设定方面存在一定的问题。这些因素都对数控伺服系统的参数设定产生影响。

2 交流伺服系统参数优化

2.1 伺服系统优化模型

传统的交流位置伺服系统的调节器参数整定在设计时把各环节传递函数简化成相应的典型环节，通过频率特性和根轨迹法对调节器参数进行整定，这使得参数的整定比较繁琐，而且在一定程度上依赖工程师的经验，存在一定的误差，系统并没有在最佳的状态下工作。为了使得系统在最优或者是次最优的状态下工作， 专家学者们提出了最优PID参数自整定方法，即建立性能指标函数，把系统需要调节的PID参数看作是该性能指标函数的变量对指标函数进行寻优，得到性能指标函数最小时的 PID参数，该结果就是最优的系统PID参数。最优PID参数自整定的关键是性能指标函数的选取和优化算法，其直接影响到系统优化的结果。常见的目标函数包括ITAE、IST 2 E、GISE。

2.2 优化结果分析

目标函数的选取是伺服系统参数优化的关键，选择不同的目标函数，参数优化的结果也必将不同，必须选择一个能够反映系统性能的目标函数，该文采用的三种优化目标函数，分别对系统进行优化，并对优化结果做比较。首先应该对初值进行结果分析后才能进行下一步的数据筛选工作。目标函数初值的选择对于结果的影响较大因此从全局寻找最有的结果很难只能在局部选择最优结果。其次是将筛选的数据进行系统模型比对后才能确定参数的数值。利用广义误差平方积分为准则进行数据的筛选可以更加精确的确定数值，保证系统运行的稳定，数据误差值将会控制在一个较为合理的范围内。这就更加适合永磁同步电动机的运行。

3 结语

总之，伺服系统的性能直接决定了数控机床的使用性能，高性能数控伺服系统设计整定的前提是充分了解机械系统、切削过程的动态特性；切削参数的选择影响了数控机床的使用效率，因此在参数的设定方面一定要注意数据的合理性，保证系统在设定完成后能够以一个更好的状态运行，保证数控机床生产的优越性。

参考文献

[1] 张俊，魏红根.数控技术发展趋势--智能化数控系统[J].制造技术与机床，2000（4）：7-9.

[2] 葛宝明，蒋静坪.永磁同步电动机传动系统的模型算法控制[J].中国电机工程学报，1999，19（10）：27-31.

[3] 秦忆.现代交流伺服系统[M].武汉：华中理工大学出版社，1995.

[4] 温熙森.机械系统建模与动态分析[M].北京：科学出版社，2004.

[5] 窦汝振.高性能永磁交流伺服系统及其新型控制策略的研究[D].天津：天津大学，2002.