數控機床中的伺服系統分析

(二)直流伺服系統

　　直流伺服的工作原理是建立在電磁力定律基礎上。與電磁轉矩相關(guān)的是互相獨立的兩個(gè)變量主磁通與電樞電流，它們分別控制勵磁電流與電樞電流，可方便地進(jìn)行轉矩與轉速控制。另一方面從控制角度看，直流伺服的控制是一個(gè)單輸入單輸出的單變量控制系統，經(jīng)典控制理論完全適用于這種系統，因此，直流伺服系統控制簡(jiǎn)單，調速性能優(yōu)異，在數控機床的進(jìn)給驅動(dòng)中曾占據著(zhù)主導地位。

　　然而，從實(shí)際運行考慮，直流伺服電動(dòng)機引入了機械換向裝置。其成本高，故障多，維護困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對其他設備產(chǎn)生電磁干擾。同時(shí)機械換向器的換向能力，限制了電動(dòng)機的容量和速度。電動(dòng)機的電樞在轉子上，使得電動(dòng)機效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉子變得短粗，影響了系統的動(dòng)態(tài)性能。

　　(三)交流伺服系統

　　針對直流電動(dòng)機的缺陷，如果將其做“里翻外”的處理，即把電驅繞組裝在定子、轉子為永磁部分，由轉子軸上的編碼器測出磁極位置，就構成了永磁無(wú)刷電動(dòng)機，同時(shí)隨著(zhù)矢量控制方法的實(shí)用化，使交流伺服系統具有良好的伺服特性。其寬調速范圍、高穩速精度、快速動(dòng)態(tài)響應及四象限運行等良好的技術(shù)性能，使其動(dòng)、靜態(tài)特性已完全可與直流伺服系統相媲美。同時(shí)可實(shí)現弱磁高速控制，拓寬了系統的調速范圍，適應了高性能伺服驅動(dòng)的要求。

　　目前，在機床進(jìn)給伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系統，有三種類(lèi)型：模擬形式、數字形式和軟件形式。模擬伺服用途單一，只接收模擬信號，位置控制通常由上位機實(shí)現。數字伺服可實(shí)現一機多用，如做速度、力矩、位置控制?？山邮漳M指令和脈沖指令，各種參數均以數字方式設定，穩定性好。具有較豐富的自診斷、報警功能。軟件伺服是基于微處理器的全數字伺服系統。其將各種控制方式和不同規格、功率的伺服電機的監控程序以軟件實(shí)現。使用時(shí)可由用戶(hù)設定代碼與相關(guān)的數據即自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。配有數字接口，改變工作方式、更換電動(dòng)機規格時(shí)，只需重設代碼即可，故也稱(chēng)萬(wàn)能伺服。

　　交流伺服已占據了機床進(jìn)給伺服的主導地位，并隨著(zhù)新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現在三個(gè)方面。一是系統功率驅動(dòng)裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應用;二是基于微處理器嵌入式平臺技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應用;三是網(wǎng)絡(luò )化制造模式的推廣及現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò )的伺服控制成為可能。

　　(四)直線(xiàn)伺服系統

　　直線(xiàn)伺服系統采用的是一種直接驅動(dòng)方式(Direct Drive)，與傳統的旋轉傳動(dòng)方式相比，最大特點(diǎn)是取消了電動(dòng)機到工作臺間的一切機械中間傳動(dòng)環(huán)節，即把機床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(cháng)度縮短為零。這種“零傳動(dòng)”方式，帶來(lái)了旋轉驅動(dòng)方式無(wú)法達到的性能指標，如加速度可達3g以上，為傳統驅動(dòng)裝置的10～20倍，進(jìn)給速度是傳統的4～5倍。從電動(dòng)機的工作原理來(lái)講，直線(xiàn)電動(dòng)機有直流、交流、步進(jìn)、永磁、電磁、同步和異步等多種方式;而從結構來(lái)講，又有動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式、平板型和圓筒型等形式。目前應用到數控機床上的主要有高精度高頻響小行程直線(xiàn)電動(dòng)機與大推力長(cháng)行程高精度直線(xiàn)電動(dòng)機兩類(lèi)。

　　直線(xiàn)伺服是高速高精數控機床的理想驅動(dòng)模式，受到機床廠(chǎng)家的重視，技術(shù)發(fā)展迅速。在2001年歐洲機床展上，有幾十家公司展出直線(xiàn)電動(dòng)機驅動(dòng)的高速機床，快移速度達100～120m/min，加速度1.5～2g，其中尤以德國DMG公司與日本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28種機型采用直線(xiàn)電動(dòng)機驅動(dòng)，年產(chǎn)1500多臺，約占總產(chǎn)量的1/3。而MAZAK公司最近也將推出基于直線(xiàn)伺服系統的超音速加工中心，切削速度8馬赫，主軸最高轉速80000r/min，快移速度500m/min，加速度6g。所有這些，都標志著(zhù)以直線(xiàn)電動(dòng)機驅動(dòng)為代表的第二代高速機床，將取代以高速滾珠絲杠驅動(dòng)為代表的第一代高速機床，并在使用中逐步占據主導地位。

　　四、主軸伺服系統的現狀及展望

　　主軸伺服提供加工各類(lèi)工件所需的切削功率，因此，只需完成主軸調速及正反轉功能。但當要求機床有螺紋加 工、準停和恒線(xiàn)速加工等功能時(shí)，對主軸也提出了相應的 位置控制要求，因此，要求其輸出功率大，具有恒轉矩段 及恒功率段，有準?？刂?，主軸與進(jìn)給聯(lián)動(dòng)。與進(jìn)給伺服 一樣，主軸伺服經(jīng)歷了從普通三相異步電動(dòng)機傳動(dòng)到直流主軸傳動(dòng)。隨著(zhù)微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進(jìn)展，現在又進(jìn)入了交流主軸伺服系統的時(shí)代。

　　(一)交流異步伺服系統

　　交流異步伺服通過(guò)在三相異步電動(dòng)機的定子繞組中產(chǎn)生幅值、頻率可變的正弦電流，該正弦電流產(chǎn)生的旋轉磁場(chǎng)與電動(dòng)機轉子所產(chǎn)生的感應電流相互作用，產(chǎn)生電磁轉矩，從而實(shí)現電動(dòng)機的旋轉。其中，正弦電流的幅值可分解為給定或可調的勵磁電流與等效轉子力矩電流的矢量和;正弦電流的頻率可分解為轉子轉速與轉差之和，以實(shí)現矢量化控制。

　　交流異步伺服通常有模擬式、數字式兩種方式。與模擬式相比，數字式伺服加速特性近似直線(xiàn)，時(shí)間短，且可提高主軸定位控制時(shí)系統的剛性和精度，操作方便，是機床主軸驅動(dòng)采用的主要形式。然而交流異步伺服存在兩個(gè)主要問(wèn)題：一是轉子發(fā)熱，效率較低，轉矩密度較小，體積較大;二是功率因數較低，因此，要獲得較寬的恒功率調速范圍，要求較大的逆變器容量。

　　(二)交流同步伺服系統

　　近年來(lái)，隨著(zhù)高能低價(jià)永磁體的開(kāi)發(fā)和性能的不斷提高，使得采用永磁同步調速電動(dòng)機的交流同步伺服系統的性能日益突出，為解決交流異步伺服存在的問(wèn)題帶來(lái)了希望。與采用矢量控制的異步伺服相比，永磁同步電動(dòng)機轉子溫度低，軸向連接位置精度高，要求的冷卻條件不高，對機床環(huán)境的溫度影響小，容易達到極小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒轉矩運行，特別適合強力切削加工。同時(shí)其轉矩密度高，轉動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應特性好，特別適合高生產(chǎn)率運行。較容易達到很高的調速比，允許同一機床主軸具有多種加工能力，既可以加工像鋁一樣的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，為機床進(jìn)行最優(yōu)切削創(chuàng )造了條件。