數(shù)控系統(tǒng)伺服電機控制現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

　近年來，伺服電機控制技術(shù)正朝著交流化、數(shù)字化、智能化三個方向發(fā)展。作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動及保護等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進步，經(jīng)歷了從步進到直流，進而到交流的發(fā)展歷程。本文對其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作簡要探討。

　　一、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)

　?。ㄒ唬╅_環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)不設(shè)檢測反饋裝置，不構(gòu)成運動反饋控制回路，電動機按數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖工作，對運動誤差沒有檢測反饋和處理修正過程，采用步進電機作為驅(qū)動器件，機床的位置精度完全取決于步進電動機的步距角精度和機械部分的傳動精度，難以達到比較高精度要求。步進電動機的轉(zhuǎn)速不可能很高，運動部件的速度受到限制。但步進電機結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低，且其控制電路也簡單。所以開環(huán)控制系統(tǒng)多用于精度和速度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床。

　　（二）全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要由比較環(huán)節(jié)、伺服驅(qū)動放大器，進給伺服電動機、機械傳動裝置和直線位移測量裝置組成。對機床運動部件的移動量具有檢測與反饋修正功能，采用直流伺服電動機或交流伺服電動機作為驅(qū)動部件。可以采用直接安裝在工作臺的光柵或感應(yīng)同步器作為位置檢測器件，來構(gòu)成高精度的全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的直線位移檢測器安裝在移動部件上，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。但機械傳動裝置的剛度、摩擦阻尼特性、反向間隙等各種非線性因素，對系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大影響，使閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)安裝調(diào)試比較復(fù)雜。因此只是用在高精度和大型數(shù)控機床上。

　?。ㄈ┌腴]環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理與全閉環(huán)伺服系統(tǒng)相同，同樣采用伺服電動機作為驅(qū)動部件，可以采用內(nèi)裝于電機內(nèi)的脈沖編碼器，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器或測速發(fā)電機作為位置/速度檢測器件來構(gòu)成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)的反饋信號取自電機軸或絲桿上，進給系統(tǒng)中的機械傳動裝置處于反饋回路之外，其剛度等非線性因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響，安裝調(diào)試比較方便。機床的定位精度與機械傳動裝置的精度有關(guān)，而數(shù)控裝置都有螺距誤差補償和間隙補償?shù)软椆δ?，在傳動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意的程度。故半閉環(huán)伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床中應(yīng)用很廣。

　　二、伺服電機控制性能優(yōu)越

　?。ㄒ唬┑皖l特性好。步進電機易出現(xiàn)低速時低頻振動現(xiàn)象。交流伺服電機不會出現(xiàn)此現(xiàn)象，運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能，可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。

　　（二）控制精度高。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。例如松下全數(shù)字式交流伺服電機，對于帶17位編碼器的電機而言，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當(dāng)量的1/655。

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

　　（四）速度響應(yīng)快。步進電機從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的速度響應(yīng)較快，例如松下MSMA400W交流伺服電機，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速僅需幾毫秒。

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

　　三、伺服電機控制展望

　?。ㄒ唬┧欧姍C控制技術(shù)的發(fā)展推動加工技術(shù)的高速高精化。80年代以來，數(shù)控系統(tǒng)逐漸應(yīng)用伺服電機作為驅(qū)動器件。交流伺服電機內(nèi)是無刷結(jié)構(gòu)，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉(zhuǎn)速和功率的提高。目前交流伺服系統(tǒng)已在很大范圍內(nèi)取代了直流伺服系統(tǒng)。在當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)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(yīng)用在數(shù)控機床的伺服進給和主軸裝置上的交流數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)。隨著微處理器和全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。硬件伺服控制變?yōu)檐浖欧刂坪螅蟠蟮靥岣吡怂欧到y(tǒng)的性能。例如OSP-U10/U100網(wǎng)絡(luò)式數(shù)控系統(tǒng)的伺服控制環(huán)就是一種高性能的伺服控制網(wǎng)，它對進行自律控制的各個伺服裝置和部件實現(xiàn)了分散配置，網(wǎng)絡(luò)連接，進一步發(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(tǒng)性能改善、可靠性提高、調(diào)試方便、柔性增強，大大推動了高精高速加工技術(shù)的發(fā)展。

　　另外，先進傳感器檢測技術(shù)的發(fā)展也極大地提高了交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能和定位精度。交流伺服電機調(diào)速系統(tǒng)一般選用無刷旋轉(zhuǎn)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(yīng)時間。伺服電動機本身也在向高速方向發(fā)展，與上述高速編碼器配合實現(xiàn)了60m/min甚至100m/min的快速進給和1g的加速度。為保證高速時電動機旋轉(zhuǎn)更加平滑，改進了電動機的磁路設(shè)計，并配合高速數(shù)字伺服軟件，可保證電動機即使在小于1μm轉(zhuǎn)動時也顯得平滑而無爬行。

　?。ǘ┙涣髦本€伺服電機直接驅(qū)動進給技術(shù)已趨成熟。數(shù)控機床的進給驅(qū)動有“旋轉(zhuǎn)伺服電機＋精密高速滾珠絲杠”和“直線電機直接驅(qū)動”兩種類型。傳統(tǒng)的滾珠絲杠工藝成熟加工精度較高，實現(xiàn)高速化的成本相對較低，所以目前應(yīng)用廣泛。使用滾，珠絲杠驅(qū)動的高速加工機床最大移動速度90m/min，加速度1.5g。但滾珠絲杠是機械傳動，機械元件間存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應(yīng)會造成運動滯后和非線性誤差，所以再進一步提高滾珠絲杠副移動速度和加速度比較難了。90年代以來，高速高精的大型加工機床中，應(yīng)用直線電機直接驅(qū)動進給驅(qū)動方式。它比滾珠絲杠驅(qū)動具有剛度更高、速度范圍更寬、加速特性更好、運動慣量更小、動態(tài)響應(yīng)性能更佳，運行更平穩(wěn)、位置精度更高等優(yōu)點。且直線電機直接驅(qū)動，不需中間機械傳動，減小了機械磨損與傳動誤差，減少了維護工作。直線電機直接驅(qū)動與滾珠絲杠傳動相比，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(yīng)頻率達100Hz，還有較大的發(fā)展余地。當(dāng)前，在高速高精加工機床領(lǐng)域中，兩種驅(qū)動方式還會并存相當(dāng)長一段時間，但從發(fā)展趨勢來看，直線電機驅(qū)動所占的比重會愈來愈大。種種跡象表明，直線電機驅(qū)動在高速高精加工機床上的應(yīng)用已進入加速增長期。