1.4 主要研究内容

（1）查阅国内外相关文献，了解数控机床伺服控制系统种类、优缺点等，阐述 数控机床伺服控制系统设计的相关研究现状。应通过多种方案比较，选择综合性能较 优的设计方案。

（2）以某数控机床为研究对象，确定其电流环、速度环、位置环结构、伺服控 制闭环类型等，并对其伺服控制系统进行设计，实现机床伺服系统控制。

（3）建立基于 Simulink 的数控机床伺服系统动态性能分析仿真模型给出模型动 态响应的仿真结果，得到伺服控制频响函数曲线、速度响应曲线和位置响应曲线等结 果。

（4）在上述基础上，基于优化算法，结合伺服控制系统数学模型，对其伺服参 数进行优化。确定最优的伺服控制参数。

1.5 本章小结

首先阐述本文的研究背景及意义，其次总结面对国内外伺服系统的发展趋势对伺 服驱动系统的基本要求和国内外对机床伺服系统的研究现状及存在的问题最后列举 本论文主要研究内容。

第二章 伺服驱动系统的基本组成和工作原理

2.1 伺服驱动系统的基本结构

伺服系统位于数控机床数控系统与机床主体之间联系数控装置(电脑)和车床的 环节。数控装置发出指令，通过伺服驱动系统转换成坐标轴的运动，完成程序所规定 的操作。伺服系统又被称之为驱动系统。伺服系统的主要功能是从数控系统接收微小 的电控信号然后把它放大成强电的驱动信号，用以驱动伺服系统的执行机构—伺服电 机。伺服系统把电控信号的变化转换成电机输出轴的角位置移动或角速度的变化来带 动机床主体部件（如工作台、主轴或刀具进给等）运动，实现对机床主体运动的速度 和位置的控制,完成工件加工。

2.2 伺服系统的组成

伺服驱动系统由驱动模块，位置控制模块，速度控制模块，转矩和电流控制器， 位置反馈模块，速度反馈模块，电流反馈模块，通讯接口模块组成等。

一般闭环系统采用三环结构：电流环，速度环，位置环。它们都由调节控制模块， 检测模块和反馈部分组成。一般设计时把速度环和电流环放在位置环内；把电流环控 制放在速度环控制内。速度控制调解器：用来控制电机转速，是速度控制系统的核心 部分。速度检测装置由测速发电机、脉冲编码器组成。速度环控制在进给驱动装置内完成，位置环由数控装置来完成。特点：从外部来看：以位置指令输入和位置环控制 为输出的位置闭环控制系统。从内部逻辑来看，它是先把指令转换成相应的速度信号 然后通过调速系统驱动伺服电机来实现位置移动的。

2.3 数控机床伺服系统的分类

数控机床伺服系统种类繁多，按照不同参照可分为如下几类：

（1）按控制原理和有无位置反馈分：开环和闭环伺服系统。

（2）按执行元件的工作原理分：电液伺服系统和电气伺服系统。 开环数控系统：它没有位置测量装置，信号流是单向的（即数控装置→进给系统），所以系统的稳定性能良好。但是精度没有闭环系统高，其精度一般依赖于伺服驱动系 统和机械传动机构的性能和精度。一般伺服驱动机构用功率步进电机。这类系统具有 结构简易、工作稳定，维护简单，便宜等优势，应用于在精度和速度要求不高，驱动 力矩不大的场合。通常在经济型数控车床上用。

半闭环数控系统；它的位置采样点是从伺服电机或丝杠引出，选用旋转角度进行 检测位置而不是直接检测运动部件的实际位置。其系统的稳定性没有开环系统好，但 比闭环要好。精度没有闭环系统高，但比开环系统好。半闭环数控系统结构简易，精 度也比开环数控系统高，因此普遍用于现代 CNC 车床中。