數控機床中的伺服系統分析

一、概述

　　伺服系統是以機械運動(dòng)的驅動(dòng)設備，電動(dòng)機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構，在自動(dòng)控制理論的指導下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統。

　　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。數控機床中的伺服系統種類(lèi)繁多，本文通過(guò)分析其結構及簡(jiǎn)單歸分，對其技術(shù)現狀及發(fā)展趨勢作簡(jiǎn)要探討。

　　二、伺服系統的結構及分類(lèi)

　　從基本結構來(lái)看，伺服系統主要由三部分組成：控制器、功率驅動(dòng)裝置、反饋裝置和電動(dòng)機(圖1)?？刂破靼凑諗悼叵到y的給定值和通過(guò)反饋裝置檢測的實(shí)際運行值的差，調節控制量;功率驅動(dòng)裝置作為系統的主回路，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動(dòng)機之上，調節電動(dòng)機轉矩的大小，另一方面按電動(dòng)機的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉換為電動(dòng)機所需的交流電或直流電;電動(dòng)機則按供電大小拖動(dòng)機械運轉。

　　圖1中的主要成分變化多樣，其中任何部分的變化都可構成不同種類(lèi)的伺服系統。如根據驅動(dòng)電動(dòng)機的類(lèi)型，可將其分為直流伺服和交流伺服;根據控制器實(shí)現方法的不同，可將其分為模擬伺服和數字伺服;根據控制器中閉環(huán)的多少，可將其分為開(kāi)環(huán)控制系統、單環(huán)控制系統、雙環(huán)控制系統和多環(huán)控制系統?？紤]伺服系統在數控機床中的應用，本文首先按機床中傳動(dòng)機械的不同將其分為進(jìn)給伺服與主軸伺服，然后再根據其他要素來(lái)探討不同伺服系統的技術(shù)特性。

　　三、進(jìn)給伺服系統的現狀與展望

　　進(jìn)給伺服以數控機床的各坐標為控制對象，產(chǎn)生機床的切削進(jìn)給運動(dòng)。為此，要求進(jìn)給伺服能快速調節坐標軸的運動(dòng)速度，并能精確地進(jìn)行位置控制。具體要求其調速范圍寬、位移精度高、穩定性好、動(dòng)態(tài)響應快。根據系統使用的電動(dòng)機，進(jìn)給伺服可細分為步進(jìn)伺服、直流伺服、交流伺服和直線(xiàn)伺服。

　　(一)步進(jìn)伺服系統

　　步進(jìn)伺服是一種用脈沖信號進(jìn)行控制，并將脈沖信號轉換成相應的角位移的控制系統。其角位移與脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比，通過(guò)改變脈沖頻率可調節電動(dòng)機的轉速。如果停機后某些繞組仍保持通電狀態(tài)，則系統還具有自鎖能力。步進(jìn)電動(dòng)機每轉一周都有固定的步數，如500步、1000步、50 000步等等，從理論上講其步距誤差不會(huì )累計。

　　步進(jìn)伺服結構簡(jiǎn)單，符合系統數字化發(fā)展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動(dòng)速度越低。特別是步進(jìn)伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟型數控機床及舊設備改造。但近年發(fā)展起來(lái)的恒斬波驅動(dòng)、PWM驅動(dòng)、微步驅動(dòng)、超微步驅動(dòng)和混合伺服技術(shù)，使得步進(jìn)電動(dòng)機的高、低頻特性得到了很大的提高，特別是隨著(zhù)智能超微步驅動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，將把步進(jìn)伺服的性能提高到一個(gè)新的水平。