为了实现制造业强国的战略目标,国家提出“中国制造2025”战略规划。高档数控机床和机器人是“中国制造2025”实现制造强国战略目标的十大重点领域之一,高档数控系统作为高档数控机床的“大脑”更应该成为重点研课题。特别是我国从制造大国向制造强国的转型更加迫切,着力发展智能制造装备,加快推进生产过程智能化升级,是实现“中国制造2025”目标的重要手段。工业和信息化部通过专项资金资助了一系列智能制造相关专项课题。在“十三五”期间,专项设立了“国产高档数控系统智能化技术研究开发及应用验证”课题,该课题通过研制智能化数控系统（包括数控装置与伺服单元）,实现国产高档数控系统的智能化升级。该项国家科技重大专项课题的任务已经全部实施完成,并成功通过了专项课题验收。研制的新产品已通过国家机床质量监督检验中心的产品检测,产品的技术指标达到国际主流智能化数控系统水平。本论文依托于此项专项课题,是该专项课题研究内容的重要组成部分。本论文的主要研究内容及创新点如下:1.基于CPS的数控系统体系结构研究。对基于CPS的数控系统（包括数控装置与伺服单元）整体的体系结构进行分析研究。数控装置和多个伺服单元通过工业网络组成系统级CPS。数控装置通过多个伺服单元与多种传感器对被控机械的状态进行精准感知,对感知数据进行实时分析,并根据分析结果做出智能决策,然后由多个伺服单元实现精准执行,最终完成数控系统的精优曲面加工、内置优化和诊断、换向冲击智能补偿、进给率自适应等智能功能。2.基于CPS的智能伺服单元设计。在对基于CPS的数控系统进行详细分析的基础上,从面向数控系统的具体应用需求的角度完成了基于CPS的智能伺服单元的软、硬件以及网络接口设计。智能伺服单元的软件是实现智能的核心,通过高精度状态感知,系统状态实时分析,控制策略自主决策,实现高性能的伺服控制。网络接口是智能伺服单元与数控装置的数据与信息的交换通道,通过对多种现场总线协议与高精度同步控制的支持,支撑了数控装置的精准感知和精准执行。3.智能伺服单元的电流控制软件设计。针对永磁同步电机的解耦控制易受电机参数变化的影响,导致无法实现完全解耦的问题,提出一种基于数据驱动的永磁同步电机在线解耦控制策略。解耦控制模块根据永磁同步电机的输入输出数据估计模块参数,并以电压前馈的方式进行解耦控制量的输出。针对电流控制环路中的电机参数时变,逆变器死区时间、电机齿槽转矩等参数未知,无法建立精确的控制系统模型,导致传统基于模型的电流控制方法控制精度不高的问题,提出了一种控制器参数自学习调整的电流控制方法。数据驱动模型辨识模块根据电流环的输入和输出数据实时辨识电流环的模型参数并计算评价函数值,当评价函数值不满足要求时对PI控制器的参数进行实时调整,以满足控制系统的稳定性和快速性。4.智能伺服单元的速度控制软件设计。针对永磁同步电机的速度控制性能易受负载惯量变化、外部干扰、未建模动态等不确定性因素影响的问题,提出了一种基于最优参考曲线的控制器参数自学习调整的速度控制方法。数据驱动模型辨识模块根据速度环的输入输出数据实时辨识速度环的模型参数并计算评价函数值,当评价函数值不满足要求时对PI控制器参数进行实时调整。为了提高PI控制器参数自学习调整的速度,提出了一种基于最优参考曲线的方法来调整PI控制器的参数。5.智能伺服单元应用验证。在实验室搭建实验验证平台,并开发智能伺服单元数据采集上位机软件,对本论文研制的智能伺服单元进行实验验证。通过实验验证后,将本论文研制的智能伺服单元配套智能数控装置在加工中心上进行了应用验证。