激光旋转加工控制系统的研究.doc

摘要：作为1960年出现的新光源，激光由于其良好的集中性、高强度和单一性活跃在时代的舞台上。而激光加工是激光范畴中运用最为广泛的方向。激光旋转加工是将激光技术与控制技术结合起来的新兴加工技术，也成为了激光加工领域中不可或缺的部分。本文将要研究的激光旋转加工采用独特的加工方式。通过激光照射置放于旋转工作台上转动的工件表面，可以精细地雕刻或刻画出任意图案或符号。它与传统激光加工方式的不同点在于旋转工作台。激光旋转加工设备可以以大部分种类的材料作为加工工件。

本文研究目的是在保证激光旋转加工控制系统的稳定性的前提下尽可能地提高加工精度，将激光技术与智控技术相结合，提出使用模糊自整定PID对工作台中的永磁同步伺服电机控制，在确保夹头旋转精度的同时也提高了整机系统的稳定性，从而实现激光精密旋转加工。

本课题主要研究内容如下：首先查阅资料，了解全球化下激光打标机的发展情况以及激光旋转加工系统的研究现状。其次，通过网络查询和专业人员指导了解激光旋转加工整机系统，包括激光系统（激光器和振镜扫描头）、控制部分、辅助部分（水冷机）以及旋转工作台。接着，对激光旋转工作台中使用的电机进行探讨，对步进电机和伺服电机进行各方面的比较并挑选出最适合激光旋转加工控制系统的电机。再次，简单介绍了PID控制、模糊控制以及模糊PID控制，通过详细的对比分析最终决定选择PI控制器和自整定模糊PID控制器对永磁同步伺服电机系统进行控制。最后，在MATLAB中对永磁同步电机控制系统进行仿真，并对仿真系统的输出波形进行比较，逐步分析自整定模糊PID控制下永磁同步伺服系统的优越性。 

通过仿真的输出结果表明，本文所建立的永磁同步电机模糊PID控制系统能改善PI控制在控制量突变的情况下会产生较大超调量这样的问题，能够在在提升电机的响应速率的同时减少系统的振荡，使激光旋转加工系统在运行的过程中保持安全稳定。

关键词：激光旋转加工，永磁同步电机，模糊自整定PID控制，MATLAB仿真

目 录

摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论-1

1.1 引言-1

1.2 激光加工技术国内外发展现状-1

1.2.1 国外激光加工技术国外发展现状-1

1.2.2 国内激光加工技术发展现状-2

1.3 激光打标技术-2

1.4 激光旋转加工控制系统研究的意义-3

1.5 本论文研究内容-3

第二章 激光旋转加工整机系统-5

2.1 激光旋转加工整机单体结构-5

2.2 激光系统-6

2.2.1 激光器-7

2.2.2 激光振镜扫描头-7

2.3 控制系统-9

2.3.1 FPGA-9

2.3.2 激光控制卡-9

2.4 激光器水冷装置-10

2.5 旋转工作台-10

第三章 电机的选择-11

3.1 步进电机与交流伺服电机的工作原理-11

3.2 步进电机以及交流伺服电机的性能对比分析-11

3.2.1 控制精度对比分析-11

3.2.2 低频特性对比分析-12

3.2.3 过载能力对比分析-12

3.2.4 运行性能对比分析-12

3.2.5 速度响应对比分析-12

3.3 结论-13

第四章 永磁同步伺服电机控制算法-14

4.1 PID控制基本原理-14

4.1.1 比例控制(P)-14

4.1.2 积分控制(I)-15

4.1.3 微分控制(D)-15

4.1.4 比例积分控制(PI)-15

4.2 模糊控制基本原理-16

4.3 模糊PID控制基本原理-17

4.4 永磁同步伺服系统模糊PID控制器设计-17

4.4.1 PID控制器参数自整定原则-17

4.4.2 各变量隶属度函数的确定-18

4.4.3 建立模糊规则表-21

第五章 永磁同步电机控制系统的仿真模型-28

5.1 永磁同步电机的数学模型-28

5.2 永磁同步电机的系统模型-30

5.2.1 PMSM模块-30

5.2.2 d-q向a-b-c转换模块-30

5.2.3 三相电流源型逆变器模块-31

5.2.4 控制器模块-32

5.2.5 永磁同步电机系统整体仿真模型-32

5.3 仿真结果分析-33

第六章 结论与展望-38

6.1 全文总结-38

6.2 未来展望-38

参考文献-39

致    谢-40