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将进给驱动伺服系统中的电气驱动部分和后接的机械传动部分作为一个整体来研究

内容简介

本书全面系统地阐述了现代数控机床*新采用的交流永磁同步电动机（PMSM和PMLSM）进给驱动伺服系统。第1~6章概括介绍了伺服系统的一些基本概念,系统的结构、组成及分类，重点介绍了PMSM本体的基本结构、系统的工作原理、各主要环节的设计等相关内容。第7章指出了PMSM（PMLSM）伺服系统有别于其他类系统的一些特殊问题。第8章对PMSM电气闭环伺服系统的稳定性与快速性进行了时域和频域分析，并对三阶和多轴系统增益进行了性能设计，继而对与其相连接的机械传动部件的特性作了相应介绍。第9章介绍了新一代PC数控系统，其中包括数控加工轨迹的插补原理及方法； 着重介绍了实现轨迹控制原理及方法； 以及在高速高精度轨迹控制中的高级方法，如前瞻控制、jerk限制等。在附录中，初步介绍了jerk的力学定义及在国内外的研发、应用情况。
本书可作为高等院校电气工程、自动化、电力电子与电力传动、机械工程等专业的研究生和高年级本科生的教学用书或参考书，也特别适合从事电机驱动控制、数控等工程技术人员研发设计时参考。

目录

目录

第1章伺服系统概述

1.1伺服系统的基本概念

1.1.1伺服系统的定义

1.1.2伺服系统发展回顾

1.1.3伺服系统的组成

1.2对伺服系统的基本要求

1.2.1稳定性好

1.2.2动态特性快速精准

1.2.3稳态特性平稳无差

1.3伺服系统的分类

1.3.1按调节理论分类

1.3.2按使用执行元件分类

1.3.3按系统信号特点分类

1.3.4按系统部件输入�彩涑鎏匦圆煌�分类

1.4伺服系统的发展历程

1.5交流伺服系统的组成

1.5.1交流伺服电动机

1.5.2功率放大变换器

1.5.3传感器

1.5.4控制器

1.6伺服系统的典型输入信号

第2章旋转式永磁同步伺服电机（PMSM）控制系统

2.1旋转式永磁同步伺服电机控制系统的组成

2.2旋转式永磁同步伺服电机的结构与基本工作原理

2.3旋转式永磁同步伺服电机的数学模型

2.3.1为简化数学模型要做的一些假设

2.3.2定子电压方程

2.3.3转矩方程和运动方程

2.3.4状态方程

2.4旋转式永磁同步伺服电机矢量控制原理

2.5旋转式交流永磁同步电机矢量控制系统设计

2.5.1状态方程与控制框图

2.5.2解耦控制与坐标变换的实现

2.5.3电流实现反馈线性化控制

2.5.4速度控制器设计

2.5.5位置控制器设计

第3章伺服驱动的负载机械特性

3.1旋转体的运动方程

3.2负载的转矩特性

3.3几种典型的非线性现象

3.3.1现象分析

3.3.2饱和现象研究

3.3.3间隙现象的讨论

3.3.4摩擦分析

3.4机械谐振

3.5机械刚度与伺服刚度

3.6机械负载的折算与匹配

第4章永磁直线同步电动机（PMLSM）伺服系统

4.1直线电动机的发展和应用简述

4.2永磁直线同步伺服电动机

4.2.1直线电动机直接驱动实现“零传动”链

4.2.2永磁直线同步电动机的基本结构

4.2.3永磁直线同步电动机的基本工作原理

4.2.4永磁直线同步电动机的端部效应

4.3永磁直线同步电动机的齿槽定位力及其削弱

4.4永磁直线同步电动机的纹波力及其削弱

4.5直线电动机在机床上应用发展缓慢的原因分析

第5章交流伺服系统常用传感器

5.1概述

5.2光电编码器

5.2.1增量式光电编码器

5.2.2绝对式光电编码器

5.2.3混合式光电编码器

5.3旋转变压器

5.4光栅

5.4.1直线式透射光栅

5.4.2莫尔条纹式光栅

5.4.3光栅检测装置

5.5加速度传感器

5.6电流传感器

第6章交流伺服系统的功率变换电路

6.1交流伺服系统功率变换主电路的构成

6.2功率变换主电路的设计

6.2.1整流电路的设计

6.2.2滤波电路的设计

6.2.3逆变电路的设计

6.2.4缓冲电路的设计

6.2.5制动电路的设计

6.3PWM控制技术

6.3.1SPWM控制技术

6.3.2电流跟踪型PWM控制技术

第7章PMSM(PMLSM)伺服驱动系统若干特殊问题

7.1永磁同步电动机的d、q轴数学模型

7.1.1永磁同步电动机的d、q轴基本数学模型

7.1.2计及铁损时PMSM的d、q轴数学模型

7.2关于转子磁极初始位置的检测

7.3永磁同步伺服电动机的弱磁控制问题

7.4正弦波永磁同步电动机的矢量控制方法

7.4.1id=0控制

7.4.2最大转矩电流比控制

7.4.3最大转矩磁链比控制（最大转矩电动势比控制）

7.4.4功率因数cosφ=1控制

7.4.5最大效率控制

7.4.6永磁同步电动机的参数与其输出极限

7.4.7实际定子电流响应的延迟作用影响

第8章数控机床进给驱动伺服系统

8.1数控机床的坐标轴规定

8．2对数控机床进给驱动伺服系统的要求

8．2．1对进给驱动伺服系统的基本要求

8．2．2数控机床进给驱动伺服系统的要求

8．3进给驱动伺服系统的组成及其数学模型

8．4进给驱动伺服系统的动态响应特性与伺服性能分析

8．4．1时间响应特性

8．4．2频率响应特性

8．4．3稳定性分析

8．4．4快速性分析

8．4．5伺服精度与伺服刚度

8．5进给驱动伺服系统的系统增益设计

8．5．1一个三阶进给驱动伺服系统的系统增益设计

8．5．2多轴系统的系统增益设计

8．6电机驱动部件的设计

8．6．1静态设计

8．6．2动态设计

8．7机械传动部件的设计

8．7．1概述

8．7．2机械传动部件的谐振频率

8．7．3转动惯量

8．7．4机械传动部件的刚度

8．7．5阻尼比

8．7．6机械传动部件中的非线性因素

8．7．7工作台导轨

8．7．8滚珠丝杠螺母传动装置

8．7．9滚珠丝杠支承专用轴承的选用

第9章PC数控的轨迹插补与控制原理及实现方法

9．1何谓PC数控

9．2PC控制加工过程的基本原理

9．2．1PC数控加工的基本概念

9．2．2PC数控加工的实现过程

9．3PC数控的轨迹插补原理

9．3．1PC数控轨迹插补的基本原理

9．3．2PC数控轨迹插补的基本方法

9．3．3PC数控的高速采样插补方法

9．3．4PC数控的柔性加减速控制方法

9．4PC数控的轨迹控制原理与方法

9．4．1PC数控轨迹控制的基本原理

9．4．2PC数控的连续运动控制

9．4．3PC数控的数字化连续运动控制

9．5PC数控提高轨迹精度的控制方法

9．5．1什么是精密加工

9．5．2进给轴跟随误差对轨迹精度的影响

9．5．3高速PC数控的轨迹前瞻控制方法

9．5．4从控制角度看提高合成轨迹精度的途径

9．5．5轨迹误差增益匹配控制方法

9．5．6轨迹误差交叉耦合控制方法

9．5．7轨迹误差预测补偿控制方法

9．5．8轨迹误差的仿真学习控制方法

附录加加速度jerk简介

参考文献

精彩书摘

第3章伺服驱动的负载机械特性
3.1旋转体的运动方程
目前，在机电一体化产品与伺服系统中，广泛使用交流伺服电动机驱动。对于一个机电一体化产品的设计者来说，不仅需要充分了解交流伺服电动机的特性，而且需要深入了解被驱动对象——机械装置的特性，并将交流伺服电动机和被驱动机械装置统一考虑，才能设计出品质优良的机电一体化产品。
在选择交流伺服电动机时，首先必须了解被驱动机械所要实现的各种运动，了解整个机械装置的工作过程，看看对交流伺服电动机驱动系统究竟提出了哪些要求，以此作为选择交流伺服电动机的依据。因此，有必要充分理解驱动对象的机械特性及其力学性质。
首先，以交流伺服电动机为例加以说明。
1. 转速
伺服电动机的转速是指其转子的旋转速度，以单位时间内转过的角度(rad/s)，或单位时间内的转数(r/min)来表示。

这种在单位时间里角度θ的变化称为角速度Ω，二者之间的关系为


Ω=dθdt(rad/s)(3��1)


当用电动机转速n来表示时，则


Ω=2πn(rad/s)(3��2)


现在，来考虑直线运动和旋转运动之间的关系。直线运动的线速度v是指单位时间里运动体所移动的距离s(m)。若旋转半径为r(m)，角速度为Ω(rad/s)，则线速度和角速度之间的关系为


v=Ωr(m/s)(3��3)

前言/序言

前言
现代数控机床是集当今各个领域高新技术于一体的工作母机，它是一个国家综合国力的衡量与象征，成为国家的一项重要战略物资。而其中的进给驱动伺服系统又是数控机床关键的组成部分之一，它对数控机床的加工精度、生产效率具有决定性的影响。而且它本身也涉及许多技术领域，虽经过半个多世纪的发展、几代的更替，但在理论上和实践方面仍有许多问题还在继续深入探讨中。本书结合当前国内外的相关文献，特别是书后所列参考文献［1��6］，根据作者本人在教学与科研活动中的经验总结和学习体会，编写此书用于教学，并希望在出版后与读者交流，提高本人的认识水平，能为中国早日成为制造强国作微薄贡献。
在当前，进给系统中所采用的电气执行元件虽有多种，并且各具特点，都找到了最适于其应用的场合，但综观当前与未来发展来看，唯有PMSM（包括PMLSM）以其优良的伺服性能而成为首选。
本书在选材上，首先注意到了进给驱动伺服系统的完整性。过去往往专注于进给系统电气驱动部分的讲述，而忽略了进给系统中的机械传动部件的特性分析、设计、选用以及对前级电气驱动部分的影响。本书学习了文献［1,3］的做法，完善了整个进给装置的电气驱动�不�械传动过程的统一描述。其次，也是更重要的一点，在选材上特别注意内容的先进性与前瞻性。文献［2］站在当前PC数控系统最新发展的基础上，把数控加工原理的本质概括为“分解与合成”。本书讲述进给驱动系统，应该交代坐标运动控制系统位置指令的由来，不准备讨论各种插补算法，但对插补器的输出作为位置进给坐标运动系统的输入指令还是需要了解的。所以，本书对轨迹插补，特别是有关轨迹控制的原理、实现方法的相关内容以及提高轨迹精度的各种方法，特别是前瞻控制等高级控制方法、限制与控制jerk等都做了较详细的介绍。文献［4,15］对PMSM与PMLSM的具体结构、工作原理、齿槽及谐波扰动等问题做了详细介绍，文献［5,6,8,11��14］等所述相关内容对本书亦有很多的裨益，书后各篇重要刊物上发表的学术论文所提供的思想都对本书有很大的启发。在此，非常感谢国内著名的数控专家、学者、前辈们所出版的著作对本书所作出的贡献和沈阳机床集团专家们的鼓励和支持。
最后，感谢郭庆鼎教授对本书提出了许多宝贵的修改意见，纠正了许多失当之处，对此作者铭记在心。同时还要感谢赵久威硕士在查找资料、绘制图形、打字修改等诸多方面所给予的帮助。
由于本人水平有限，临近付梓之时，心绪难诉，深感“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。由于本人缺乏数控工程方面的实践，书中谬误之处在所难免，恳请各位专家、学者不吝赐教，也望诸位用书的读者指正。
作者2017年7月于沈阳