數控系統伺服電機控制現狀及發(fā)展趨勢分析

　近年來(lái)，伺服電機控制技術(shù)正朝著(zhù)交流化、數字化、智能化三個(gè)方向發(fā)展。作為數控機床的執行機構，伺服系統將電力電子器件、控制、驅動(dòng)及保護等集為一體，并隨著(zhù)數字脈寬調制技術(shù)、特種電機材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現代控制技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流，進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。本文對其技術(shù)現狀及發(fā)展趨勢作簡(jiǎn)要探討。

　　一、數控機床伺服系統

　?。ㄒ唬╅_(kāi)環(huán)伺服系統。開(kāi)環(huán)伺服系統不設檢測反饋裝置，不構成運動(dòng)反饋控制回路，電動(dòng)機按數控裝置發(fā)出的指令脈沖工作，對運動(dòng)誤差沒(méi)有檢測反饋和處理修正過(guò)程，采用步進(jìn)電機作為驅動(dòng)器件，機床的位置精度完全取決于步進(jìn)電動(dòng)機的步距角精度和機械部分的傳動(dòng)精度，難以達到比較高精度要求。步進(jìn)電動(dòng)機的轉速不可能很高，運動(dòng)部件的速度受到限制。但步進(jìn)電機結構簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低，且其控制電路也簡(jiǎn)單。所以開(kāi)環(huán)控制系統多用于精度和速度要求不高的經(jīng)濟型數控機床。

　?。ǘ┤]環(huán)伺服系統。閉環(huán)伺服系統主要由比較環(huán)節、伺服驅動(dòng)放大器，進(jìn)給伺服電動(dòng)機、機械傳動(dòng)裝置和直線(xiàn)位移測量裝置組成。對機床運動(dòng)部件的移動(dòng)量具有檢測與反饋修正功能，采用直流伺服電動(dòng)機或交流伺服電動(dòng)機作為驅動(dòng)部件?？梢圆捎弥苯影惭b在工作臺的光柵或感應同步器作為位置檢測器件，來(lái)構成高精度的全閉環(huán)位置控制系統。系統的直線(xiàn)位移檢測器安裝在移動(dòng)部件上，其精度主要取決于位移檢測裝置的精度和靈敏度，其產(chǎn)生的加工精度比較高。但機械傳動(dòng)裝置的剛度、摩擦阻尼特性、反向間隙等各種非線(xiàn)性因素，對系統穩定性有很大影響，使閉環(huán)進(jìn)給伺服系統安裝調試比較復雜。因此只是用在高精度和大型數控機床上。

　?。ㄈ┌腴]環(huán)伺服系統。半閉環(huán)伺服系統的工作原理與全閉環(huán)伺服系統相同，同樣采用伺服電動(dòng)機作為驅動(dòng)部件，可以采用內裝于電機內的脈沖編碼器，無(wú)刷旋轉變壓器或測速發(fā)電機作為位置/速度檢測器件來(lái)構成半閉環(huán)位置控制系統，其系統的反饋信號取自電機軸或絲桿上，進(jìn)給系統中的機械傳動(dòng)裝置處于反饋回路之外，其剛度等非線(xiàn)性因素對系統穩定性沒(méi)有影響，安裝調試比較方便。機床的定位精度與機械傳動(dòng)裝置的精度有關(guān)，而數控裝置都有螺距誤差補償和間隙補償等項功能，在傳動(dòng)裝置精度不太高的情況下，可以利用補償功能將加工精度提高到滿(mǎn)意的程度。故半閉環(huán)伺服系統在數控機床中應用很廣。

　　二、伺服電機控制性能優(yōu)越

　?。ㄒ唬┑皖l特性好。步進(jìn)電機易出現低速時(shí)低頻振動(dòng)現象。交流伺服電機不會(huì )出現此現象，運轉非常平穩，交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能，可檢測出機械的共振點(diǎn)，便于系統調整。

　?。ǘ┛刂凭雀?。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。例如松下全數字式交流伺服電機，對于帶17位編碼器的電機而言，驅動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機的脈沖當量的1/655。

　?。ㄈ┻^(guò)載能力強。步進(jìn)電機不具有過(guò)載能力，為了克服慣性負載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩，選型時(shí)需要選取額定轉矩比負載轉矩大很多的電機，造成了力矩浪費的現象。而交流伺服電機具有較強的過(guò)載能力，例如松下交流伺服系統中的伺服電機的最大轉矩達到額定轉矩的三倍，可用于克服啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。

　?。ㄋ模┧俣软憫?。步進(jìn)電機從靜止加速到額定轉速需要200～400毫秒。交流伺服系統的速度響應較快，例如松下MSMA400W交流伺服電機，從靜止加速到其額定轉速僅需幾毫秒。

　?。ㄎ澹┚仡l特性佳。步進(jìn)電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時(shí)轉矩會(huì )急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以?xún)?，都能輸出額定轉矩。

　　三、伺服電機控制展望

　?。ㄒ唬┧欧姍C控制技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)加工技術(shù)的高速高精化。80年代以來(lái)，數控系統逐漸應用伺服電機作為驅動(dòng)器件。交流伺服電機內是無(wú)刷結構，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉速和功率的提高。目前交流伺服系統已在很大范圍內取代了直流伺服系統。在當代數控系統中，交流伺服取代直流伺服、軟件控制取代硬件控制成為了伺服技術(shù)的發(fā)展趨勢。由此產(chǎn)生了應用在數控機床的伺服進(jìn)給和主軸裝置上的交流數字驅動(dòng)系統。隨著(zhù)微處理器和全數字化交流伺服系統的發(fā)展，數控系統的計算速度大大提高，采樣時(shí)間大大減少。硬件伺服控制變?yōu)檐浖欧刂坪?，大大地提高了伺服系統的性能。例如OSP-U10/U100網(wǎng)絡(luò )式數控系統的伺服控制環(huán)就是一種高性能的伺服控制網(wǎng)，它對進(jìn)行自律控制的各個(gè)伺服裝置和部件實(shí)現了分散配置，網(wǎng)絡(luò )連接，進(jìn)一步發(fā)揮了它對機床的控制能力和通信速度。這些技術(shù)的發(fā)展，使伺服系統性能改善、可靠性提高、調試方便、柔性增強，大大推動(dòng)了高精高速加工技術(shù)的發(fā)展。

　　另外，先進(jìn)傳感器檢測技術(shù)的發(fā)展也極大地提高了交流電動(dòng)機調速系統的動(dòng)態(tài)響應性能和定位精度。交流伺服電機調速系統一般選用無(wú)刷旋轉變壓器、混合型的光電編碼器和絕對值編碼器作為位置、速度傳感器，其傳感器具有小于1μs的響應時(shí)間。伺服電動(dòng)機本身也在向高速方向發(fā)展，與上述高速編碼器配合實(shí)現了60m/min甚至100m/min的快速進(jìn)給和1g的加速度。為保證高速時(shí)電動(dòng)機旋轉更加平滑，改進(jìn)了電動(dòng)機的磁路設計，并配合高速數字伺服軟件，可保證電動(dòng)機即使在小于1μm轉動(dòng)時(shí)也顯得平滑而無(wú)爬行。

　?。ǘ┙涣髦本€(xiàn)伺服電機直接驅動(dòng)進(jìn)給技術(shù)已趨成熟。數控機床的進(jìn)給驅動(dòng)有“旋轉伺服電機＋精密高速滾珠絲杠”和“直線(xiàn)電機直接驅動(dòng)”兩種類(lèi)型。傳統的滾珠絲杠工藝成熟加工精度較高，實(shí)現高速化的成本相對較低，所以目前應用廣泛。使用滾，珠絲杠驅動(dòng)的高速加工機床最大移動(dòng)速度90m/min，加速度1.5g。但滾珠絲杠是機械傳動(dòng)，機械元件間存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應會(huì )造成運動(dòng)滯后和非線(xiàn)性誤差，所以再進(jìn)一步提高滾珠絲杠副移動(dòng)速度和加速度比較難了。90年代以來(lái)，高速高精的大型加工機床中，應用直線(xiàn)電機直接驅動(dòng)進(jìn)給驅動(dòng)方式。它比滾珠絲杠驅動(dòng)具有剛度更高、速度范圍更寬、加速特性更好、運動(dòng)慣量更小、動(dòng)態(tài)響應性能更佳，運行更平穩、位置精度更高等優(yōu)點(diǎn)。且直線(xiàn)電機直接驅動(dòng)，不需中間機械傳動(dòng)，減小了機械磨損與傳動(dòng)誤差，減少了維護工作。直線(xiàn)電機直接驅動(dòng)與滾珠絲杠傳動(dòng)相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大達10g，剛度提高7倍，最高響應頻率達100Hz，還有較大的發(fā)展余地。當前，在高速高精加工機床領(lǐng)域中，兩種驅動(dòng)方式還會(huì )并存相當長(cháng)一段時(shí)間，但從發(fā)展趨勢來(lái)看，直線(xiàn)電機驅動(dòng)所占的比重會(huì )愈來(lái)愈大。種種跡象表明，直線(xiàn)電機驅動(dòng)在高速高精加工機床上的應用已進(jìn)入加速增長(cháng)期。