將進給驅動伺服係統中的電氣驅動部分和後接的機械傳動部分作為一個整體來研究
本書全麵係統地闡述瞭現代數控機床*新采用的交流永磁同步電動機(PMSM和PMLSM)進給驅動伺服係統。第1~6章概括介紹瞭伺服係統的一些基本概念,係統的結構、組成及分類,重點介紹瞭PMSM本體的基本結構、係統的工作原理、各主要環節的設計等相關內容。第7章指齣瞭PMSM(PMLSM)伺服係統有彆於其他類係統的一些特殊問題。第8章對PMSM電氣閉環伺服係統的穩定性與快速性進行瞭時域和頻域分析,並對三階和多軸係統增益進行瞭性能設計,繼而對與其相連接的機械傳動部件的特性作瞭相應介紹。第9章介紹瞭新一代PC數控係統,其中包括數控加工軌跡的插補原理及方法; 著重介紹瞭實現軌跡控製原理及方法; 以及在高速高精度軌跡控製中的高級方法,如前瞻控製、jerk限製等。在附錄中,初步介紹瞭jerk的力學定義及在國內外的研發、應用情況。
本書可作為高等院校電氣工程、自動化、電力電子與電力傳動、機械工程等專業的研究生和高年級本科生的教學用書或參考書,也特彆適閤從事電機驅動控製、數控等工程技術人員研發設計時參考。
目錄
第1章伺服係統概述
1.1伺服係統的基本概念
1.1.1伺服係統的定義
1.1.2伺服係統發展迴顧
1.1.3伺服係統的組成
1.2對伺服係統的基本要求
1.2.1穩定性好
1.2.2動態特性快速精準
1.2.3穩態特性平穩無差
1.3伺服係統的分類
1.3.1按調節理論分類
1.3.2按使用執行元件分類
1.3.3按係統信號特點分類
1.3.4按係統部件輸入�彩涑鎏匭圓煌�分類
1.4伺服係統的發展曆程
1.5交流伺服係統的組成
1.5.1交流伺服電動機
1.5.2功率放大變換器
1.5.3傳感器
1.5.4控製器
1.6伺服係統的典型輸入信號
第2章鏇轉式永磁同步伺服電機(PMSM)控製係統
2.1鏇轉式永磁同步伺服電機控製係統的組成
2.2鏇轉式永磁同步伺服電機的結構與基本工作原理
2.3鏇轉式永磁同步伺服電機的數學模型
2.3.1為簡化數學模型要做的一些假設
2.3.2定子電壓方程
2.3.3轉矩方程和運動方程
2.3.4狀態方程
2.4鏇轉式永磁同步伺服電機矢量控製原理
2.5鏇轉式交流永磁同步電機矢量控製係統設計
2.5.1狀態方程與控製框圖
2.5.2解耦控製與坐標變換的實現
2.5.3電流實現反饋綫性化控製
2.5.4速度控製器設計
2.5.5位置控製器設計
第3章伺服驅動的負載機械特性
3.1鏇轉體的運動方程
3.2負載的轉矩特性
3.3幾種典型的非綫性現象
3.3.1現象分析
3.3.2飽和現象研究
3.3.3間隙現象的討論
3.3.4摩擦分析
3.4機械諧振
3.5機械剛度與伺服剛度
3.6機械負載的摺算與匹配
第4章永磁直綫同步電動機(PMLSM)伺服係統
4.1直綫電動機的發展和應用簡述
4.2永磁直綫同步伺服電動機
4.2.1直綫電動機直接驅動實現“零傳動”鏈
4.2.2永磁直綫同步電動機的基本結構
4.2.3永磁直綫同步電動機的基本工作原理
4.2.4永磁直綫同步電動機的端部效應
4.3永磁直綫同步電動機的齒槽定位力及其削弱
4.4永磁直綫同步電動機的紋波力及其削弱
4.5直綫電動機在機床上應用發展緩慢的原因分析
第5章交流伺服係統常用傳感器
5.1概述
5.2光電編碼器
5.2.1增量式光電編碼器
5.2.2絕對式光電編碼器
5.2.3混閤式光電編碼器
5.3鏇轉變壓器
5.4光柵
5.4.1直綫式透射光柵
5.4.2莫爾條紋式光柵
5.4.3光柵檢測裝置
5.5加速度傳感器
5.6電流傳感器
第6章交流伺服係統的功率變換電路
6.1交流伺服係統功率變換主電路的構成
6.2功率變換主電路的設計
6.2.1整流電路的設計
6.2.2濾波電路的設計
6.2.3逆變電路的設計
6.2.4緩衝電路的設計
6.2.5製動電路的設計
6.3PWM控製技術
6.3.1SPWM控製技術
6.3.2電流跟蹤型PWM控製技術
第7章PMSM(PMLSM)伺服驅動係統若乾特殊問題
7.1永磁同步電動機的d、q軸數學模型
7.1.1永磁同步電動機的d、q軸基本數學模型
7.1.2計及鐵損時PMSM的d、q軸數學模型
7.2關於轉子磁極初始位置的檢測
7.3永磁同步伺服電動機的弱磁控製問題
7.4正弦波永磁同步電動機的矢量控製方法
7.4.1id=0控製
7.4.2最大轉矩電流比控製
7.4.3最大轉矩磁鏈比控製(最大轉矩電動勢比控製)
7.4.4功率因數cosφ=1控製
7.4.5最大效率控製
7.4.6永磁同步電動機的參數與其輸齣極限
7.4.7實際定子電流響應的延遲作用影響
第8章數控機床進給驅動伺服係統
8.1數控機床的坐標軸規定
8.2對數控機床進給驅動伺服係統的要求
8.2.1對進給驅動伺服係統的基本要求
8.2.2數控機床進給驅動伺服係統的要求
8.3進給驅動伺服係統的組成及其數學模型
8.4進給驅動伺服係統的動態響應特性與伺服性能分析
8.4.1時間響應特性
8.4.2頻率響應特性
8.4.3穩定性分析
8.4.4快速性分析
8.4.5伺服精度與伺服剛度
8.5進給驅動伺服係統的係統增益設計
8.5.1一個三階進給驅動伺服係統的係統增益設計
8.5.2多軸係統的係統增益設計
8.6電機驅動部件的設計
8.6.1靜態設計
8.6.2動態設計
8.7機械傳動部件的設計
8.7.1概述
8.7.2機械傳動部件的諧振頻率
8.7.3轉動慣量
8.7.4機械傳動部件的剛度
8.7.5阻尼比
8.7.6機械傳動部件中的非綫性因素
8.7.7工作颱導軌
8.7.8滾珠絲杠螺母傳動裝置
8.7.9滾珠絲杠支承專用軸承的選用
第9章PC數控的軌跡插補與控製原理及實現方法
9.1何謂PC數控
9.2PC控製加工過程的基本原理
9.2.1PC數控加工的基本概念
9.2.2PC數控加工的實現過程
9.3PC數控的軌跡插補原理
9.3.1PC數控軌跡插補的基本原理
9.3.2PC數控軌跡插補的基本方法
9.3.3PC數控的高速采樣插補方法
9.3.4PC數控的柔性加減速控製方法
9.4PC數控的軌跡控製原理與方法
9.4.1PC數控軌跡控製的基本原理
9.4.2PC數控的連續運動控製
9.4.3PC數控的數字化連續運動控製
9.5PC數控提高軌跡精度的控製方法
9.5.1什麼是精密加工
9.5.2進給軸跟隨誤差對軌跡精度的影響
9.5.3高速PC數控的軌跡前瞻控製方法
9.5.4從控製角度看提高閤成軌跡精度的途徑
9.5.5軌跡誤差增益匹配控製方法
9.5.6軌跡誤差交叉耦閤控製方法
9.5.7軌跡誤差預測補償控製方法
9.5.8軌跡誤差的仿真學習控製方法
附錄加加速度jerk簡介
參考文獻
第3章伺服驅動的負載機械特性
3.1鏇轉體的運動方程
目前,在機電一體化産品與伺服係統中,廣泛使用交流伺服電動機驅動。對於一個機電一體化産品的設計者來說,不僅需要充分瞭解交流伺服電動機的特性,而且需要深入瞭解被驅動對象——機械裝置的特性,並將交流伺服電動機和被驅動機械裝置統一考慮,纔能設計齣品質優良的機電一體化産品。
在選擇交流伺服電動機時,首先必須瞭解被驅動機械所要實現的各種運動,瞭解整個機械裝置的工作過程,看看對交流伺服電動機驅動係統究竟提齣瞭哪些要求,以此作為選擇交流伺服電動機的依據。因此,有必要充分理解驅動對象的機械特性及其力學性質。
首先,以交流伺服電動機為例加以說明。
1. 轉速
伺服電動機的轉速是指其轉子的鏇轉速度,以單位時間內轉過的角度(rad/s),或單位時間內的轉數(r/min)來錶示。
這種在單位時間裏角度θ的變化稱為角速度Ω,二者之間的關係為
Ω=dθdt(rad/s)(3��1)
當用電動機轉速n來錶示時,則
Ω=2πn(rad/s)(3��2)
現在,來考慮直綫運動和鏇轉運動之間的關係。直綫運動的綫速度v是指單位時間裏運動體所移動的距離s(m)。若鏇轉半徑為r(m),角速度為Ω(rad/s),則綫速度和角速度之間的關係為
v=Ωr(m/s)(3��3)
前言
現代數控機床是集當今各個領域高新技術於一體的工作母機,它是一個國傢綜閤國力的衡量與象徵,成為國傢的一項重要戰略物資。而其中的進給驅動伺服係統又是數控機床關鍵的組成部分之一,它對數控機床的加工精度、生産效率具有決定性的影響。而且它本身也涉及許多技術領域,雖經過半個多世紀的發展、幾代的更替,但在理論上和實踐方麵仍有許多問題還在繼續深入探討中。本書結閤當前國內外的相關文獻,特彆是書後所列參考文獻[1��6],根據作者本人在教學與科研活動中的經驗總結和學習體會,編寫此書用於教學,並希望在齣版後與讀者交流,提高本人的認識水平,能為中國早日成為製造強國作微薄貢獻。
在當前,進給係統中所采用的電氣執行元件雖有多種,並且各具特點,都找到瞭最適於其應用的場閤,但綜觀當前與未來發展來看,唯有PMSM(包括PMLSM)以其優良的伺服性能而成為首選。
本書在選材上,首先注意到瞭進給驅動伺服係統的完整性。過去往往專注於進給係統電氣驅動部分的講述,而忽略瞭進給係統中的機械傳動部件的特性分析、設計、選用以及對前級電氣驅動部分的影響。本書學習瞭文獻[1,3]的做法,完善瞭整個進給裝置的電氣驅動�不�械傳動過程的統一描述。其次,也是更重要的一點,在選材上特彆注意內容的先進性與前瞻性。文獻[2]站在當前PC數控係統最新發展的基礎上,把數控加工原理的本質概括為“分解與閤成”。本書講述進給驅動係統,應該交代坐標運動控製係統位置指令的由來,不準備討論各種插補算法,但對插補器的輸齣作為位置進給坐標運動係統的輸入指令還是需要瞭解的。所以,本書對軌跡插補,特彆是有關軌跡控製的原理、實現方法的相關內容以及提高軌跡精度的各種方法,特彆是前瞻控製等高級控製方法、限製與控製jerk等都做瞭較詳細的介紹。文獻[4,15]對PMSM與PMLSM的具體結構、工作原理、齒槽及諧波擾動等問題做瞭詳細介紹,文獻[5,6,8,11��14]等所述相關內容對本書亦有很多的裨益,書後各篇重要刊物上發錶的學術論文所提供的思想都對本書有很大的啓發。在此,非常感謝國內著名的數控專傢、學者、前輩們所齣版的著作對本書所作齣的貢獻和瀋陽機床集團專傢們的鼓勵和支持。
最後,感謝郭慶鼎教授對本書提齣瞭許多寶貴的修改意見,糾正瞭許多失當之處,對此作者銘記在心。同時還要感謝趙久威碩士在查找資料、繪製圖形、打字修改等諸多方麵所給予的幫助。
由於本人水平有限,臨近付梓之時,心緒難訴,深感“紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行”。由於本人缺乏數控工程方麵的實踐,書中謬誤之處在所難免,懇請各位專傢、學者不吝賜教,也望諸位用書的讀者指正。
作者2017年7月於瀋陽
(評價三) 當我看到這本書的書名時,腦海中立刻浮現齣各種高速運轉的工業場景:激光切割的精準軌跡、自動化生産綫的流暢切換、新能源汽車的平穩加速……這一切都離不開高效、可靠的驅動係統。我是一名在高校從事電力電子與電機控製教學多年的教師,我一直緻力於將最新的技術進展融入課堂,並引導學生解決實際工程問題。因此,我特彆關注這本書能否在理論深度和應用廣度之間找到一個絕佳的平衡點。我希望它不僅能清晰地闡述交流永磁同步電機在伺服係統中的基本原理,例如矢量控製、直接轉矩控製等關鍵技術,更能深入分析這些控製策略在實際應用中遇到的挑戰,以及如何通過硬件和軟件的協同優化來剋服。我尤其希望能看到書中對不同拓撲結構的逆變器、功率器件的選擇與設計,以及與電機本體的匹配性進行詳細的討論。此外,如果書中能夠包含一些仿真分析的案例,例如使用MATLAB/Simulink等工具進行係統建模和仿真,並與實際實驗結果進行對比,那將極大提升其教學價值。我相信,一本優秀的教材,應該能夠幫助學生建立紮實的理論基礎,同時也能培養他們解決實際工程問題的能力。
評分(評價一) 這本書的封麵設計給我留下瞭深刻的印象,簡潔而專業,色彩搭配和諧,傳遞齣一種嚴謹的技術感。在翻開第一頁之前,我便對內容充滿瞭期待,想象著它能為我解答那些縈繞在心頭已久的關於電機驅動的疑問。作為一名對自動化技術懷揣著濃厚興趣的在校生,我一直在尋找能夠係統性梳理復雜概念的資料,尤其是那些能夠將理論與實際應用緊密結閤的書籍。我希望這本書能夠提供詳實的理論基礎,解釋永磁同步電機在伺服係統中的工作原理,以及交流驅動是如何實現精確控製的。同時,我也期待書中能夠包含實際的工程案例分析,讓我能夠看到這些理論是如何落地,並在工業生産中發揮作用的。例如,在機器人手臂的控製、數控機床的精密定位等領域,伺服係統的性能至關重要,而交流永磁電機因其高效率、高功率密度等優勢,在該領域得到瞭廣泛應用。因此,我非常好奇書中將如何深入剖析這些應用的細節,包括係統設計、參數配置、故障診斷等方麵。如果書中能夠提供清晰的圖錶和示意圖,那就更好瞭,這對於我理解抽象的技術概念非常有幫助。總而言之,我對這本書的期待很高,希望它能成為我學習和研究的寶貴財富。
評分(評價二) 這本書的名字,乍一聽就充滿瞭硬核的技術氣息,對於我這樣在機械設計領域摸爬滾打多年的工程師來說,無疑具有極大的吸引力。我們深知,在現代製造業的轉型升級中,驅動技術的進步是關鍵的驅動力之一。特彆是永磁同步電機,以其優越的性能,在許多高端裝備中已成為不可或缺的核心部件。而伺服係統,更是實現精密運動控製的靈魂所在。我最關心的是,這本書是否能夠深入探討交流永磁電機在伺服應用中的具體實現路徑。比如,在麵對不同負載特性、不同精度要求的情況下,驅動器應該如何進行最優設計和控製策略的選擇?書中有沒有涉及模型預測控製、自適應控製等先進控製算法在永磁伺服係統中的應用?畢竟,理論的突破最終要落到實際的性能提升上。我希望這本書能夠提供一些“乾貨”,例如不同類型永磁電機(如內置式、外置式)在伺服係統中的適配性分析,以及針對不同應用場景(如高動態響應、高精度定位)的驅動器選型和參數調整指南。如果能附帶一些實際項目的調試經驗分享,那就更加難能可貴瞭。總而言之,我期望這本書能為我解決實際工作中的技術難題提供有效的參考和指導,甚至能激發我新的設計思路。
評分(評價五) 這本書的書名本身就充滿瞭技術含量,讓我這位在自動化設備領域有多年經驗的研發人員倍感親切。我一直關注著電機驅動技術的最新發展,特彆是永磁同步電機在伺服係統中的應用,已經成為當前技術的熱點。我最感興趣的是,這本書能否在理論層麵深入淺齣地講解交流永磁同步電機的工作原理,以及如何通過先進的控製算法來實現精確的運動控製。比如,對於伺服係統而言,動態響應速度、穩態精度、抗乾擾能力都是至關重要的性能指標,我希望書中能對這些方麵進行詳盡的論述,並提供相應的分析方法和設計技巧。另外,在實際應用中,驅動器的硬件設計和軟件算法是密不可分的,我希望書中能夠探討不同功率等級的交流驅動器在設計上的考量,包括開關器件的選擇、濾波設計、散熱方案等,以及如何通過軟件算法優化其性能。如果書中能包含一些實際項目中的典型應用案例,並對其中的技術難點和解決方案進行剖析,那就更具參考價值瞭。我希望通過閱讀這本書,能夠進一步提升我對交流永磁伺服驅動係統的理解,並在未來的産品研發中,能夠設計齣更具競爭力的驅動産品。
評分(評價四) 閱讀一本關於“交流永磁電機進給驅動伺服係統”的書,對我而言,更像是一次探索尖端技術的旅程。我是一名在精密儀器製造行業工作的工程師,我們部門正在評估引進一批新的高性能數控設備,而伺服驅動係統的性能直接關係到産品的加工精度和生産效率。我非常希望這本書能夠深入揭示當前交流永磁伺服驅動技術的發展趨勢和前沿動態。例如,在高精度控製方麵,書中是否會提及一些最新的傳感器技術、編碼器技術,以及它們如何與驅動器配閤,實現亞微米級的定位精度?另外,隨著物聯網和工業4.0的興起,智能化的驅動係統也變得越來越重要。我很好奇書中是否會涉及到驅動器與上位控製係統的信息交互、遠程診斷、故障預測等內容,以及如何實現更高級彆的自動化和智能化。當然,對於我們實際應用而言,係統的可靠性和穩定性是重中之重。我希望書中能夠包含一些關於係統冗餘設計、失效安全機製、以及在極端環境下的應用案例分析。總之,我期待這本書能為我提供更具前瞻性的技術洞察,幫助我做齣更明智的技術決策,並推動我們團隊在精密製造領域取得更大的突破。
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