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摘要：本文通过计算机建模与仿真技术对工作台的关键部件进行研究，对工作台的电气设备控制系统进行了优化设计，主要内容有：运用变分法建立拉格朗日—麦柯斯韦方程，进而分析工作台系统的动力学模型，以此为基础建立系统机电耦合模型，采用id=0矢量控制方式，以SVPWM脉宽调制为基础，使用Simulink软件建立仿真模型，验证工作台系统稳态特性和动态特性，并分析机械刚度、阻尼和转动惯量对伺服系统的影响。
关键词：数控工作台；控制系统；机电耦合
1工作台电气系统
工作台电气系统控制对象机械参数，一般包括位移、角度、转速、转矩等。电动式伺服系统根据驱动电机的类型而分为直流（DC）传动系统和交流(AC)传动系统。目前，交流伺服系统有精度高、动态性能好、调速范围大等优势，已逐步取代直流伺服系统而成为电动式伺服系统的主体。由于电动机、驱动器、传感器和控制等伺服系统关联技术的不断进步，产生了不同的交流伺服控制系统。就电动机而言，可以采用永磁同步电机、直线电机等；驱动器可选择多种功率电子元件；传感反馈装置可以选用各种型号和性能的编码器，也可以采用无传感器技术；控制技术可以采用单片机、DSP和各种可编程模块。本文中采用的是永磁交流伺服系统，该系统由四部分组成：永磁同步电动机、速度和位置传感器、功率逆变器和PWM生成电路、速度控制器和电流控制器，下面将逐一介绍。
1.永磁同步电动机
永磁同步电动机由定子和转子组成，定子指在电机运行过程中静止不动的部分，由硅钢片、三相对称的绕组、铝合金冷却套及端盖部分组成，三相对称绕组通入三相电流之后会产生旋转的空间磁场，磁场转速称为同步转速n0=60f/p(r/min)，其中f为定子电流频率，p为电动机的极对数。
2.速度与位置传感器
永磁同步电机在电动机轴的非负载端通常安装速度和位置传感器以检测电机实际运行速度和位置。为了对电枢电流实现正交控制，还需安装一个光电编码器来检测电动机转子的旋转速度、磁极位置和实际位置。
3.功率逆变器和PWM生成电路
功率逆变器包括整流器和逆变器，整流器将输入的三相交流电整成直流电，逆变器是在脉冲宽度调制控制信号的驱动下，将输入的直流电变成可调的交流电，输入到电枢绕组中。PWM回路产生触发功率器件的控制信号，使流入电枢绕组中的交流电保持良好的正弦性。
4.伺服系统控制器
对交流伺服电动机的控制性能要求随着应用场合的不同而也不同。在实际应用中，控制形式主要有：转矩控制/电流控制、速度控制和位置控制，对应的控制结构如图5.1所示，由位置环、速度环及电流环三个闭环构成。
2电气控制系统基本要求
控制系统的主要性能指标是精度、稳定性与响应速度，高质量的位置与速度伺服必须满足如下基本要求：
（1）稳定性好。外界干扰作用下，能够在短暂的过渡后达到新的平衡状态。
（2）精度高。输出量跟随输入量的精确程度即伺服系统的精度，是伺服系统稳态品质的重要指标。
（3）快速响应性好。快速响应是伺服系统动态品质的重要标志，具体表现为负载突变时，恢复时间较短，振荡小，超调量%和调节时间ts是最常用的指标。
3控制系统模块设计
3.1永磁同步电机模型
以电压Uq为输入，转子速度为输出，即可得永磁同步电机的框图如图2所示：
3.3电机控制模块
电机矢量控制闭环共有四个PI控制器，即转矩电流控制器、励磁电流控制器、速度控制器和位置控制器，四个控制器结构相同，仅是对应的控制参数不同。图3即为PI控制器的模型结构。KP为PI控制器中的比例系数，KI为积分系数，Saturatfon为饱和限幅模块，可将输出信号的幅值加以限定。
电气控制系统速度控制的关键是控制电磁转矩，而电磁转矩最终归结于控制电流。电流环是内环，因此优先设计电流环。下面将介绍转矩电流环和速度、位置电流环的设计，励磁电流环转矩电流环参数相同。
3.4PMSM及逆变器模块
在MatlabSimulink12.1中提供了PMSM和逆变器模型，测量模块用BusSelector模块，可以检测出PMSM的所有输出物理量，仿真模型如下：
将建立的各个功能模块在Simulink中封装成子系统，然后将各个分系统连接起来，构成PMSM矢量控制系统整体仿真模型。
4小结和展望
本文首先分析工作台电气系统，介绍影响系统的因素，然后建立动力学方程。以动力学方程为基础，建立机电耦合模型，对电气系统进行了优化设计。