20世紀50年代出現(xiàn)數(shù)控機床以來朵逝，作為數(shù)控機床重要組成部分的伺服系統(tǒng)，隨著新材料乡范、電子電力配名、控制理論等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了從步進伺服系統(tǒng)到直流伺服系統(tǒng)再到今天的交流伺服系統(tǒng)的過程晋辆。交流伺服技術(shù)的日益發(fā)展段誊，交流伺服系統(tǒng)將逐步全面取代直流伺服系統(tǒng)。

　　數(shù)控（Numerical Control）是數(shù)控技術(shù)的簡稱栈拖。它是利用數(shù)字化的信息對機床及加工過程進行控制的一種方法连舍。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要部分，它隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展∩矗現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)都是由計算機完成以前硬件數(shù)控所做的工作审亿，為特別強調(diào)，有時也稱為計算機數(shù)字控制系統(tǒng)帝愉。計算機數(shù)字控制CNC（Computer Numerical Control）系統(tǒng)是以微處理器技術(shù)為特征,并隨著電子技術(shù)最咖、計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)暖麻、通訊技術(shù)以及精密測量技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展完善的一種先進加工制造系統(tǒng)碑甘。CNC系統(tǒng)框圖見圖1所示，它由數(shù)控程序瘾手、輸入輸出設(shè)備销顷、操作面板、CNC裝備光拥、可編程控制器（PLC）灼烫、主軸伺服系統(tǒng)、進給伺服系統(tǒng)厨摔、檢測裝備和一些電氣輔助裝置等組成窄忱。　　

　　伺服系統(tǒng)是以驅(qū)動裝置—電機為控制對象脓杉，以控制器為核心糟秘，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)简逮，在自動控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)，它包括伺服驅(qū)動器和伺服電機尿赚。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的指令信號买决，驅(qū)動機床移動部件跟隨指令脈沖運動，并保證動作的快速和準確吼畏，這就要求高質(zhì)量的速度和位置伺服督赤。數(shù)控機床的精度和速度等技術(shù)指標往往主要取決于伺服系統(tǒng)。

　　數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)發(fā)展與分類

　　數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)應(yīng)滿足以下基本要求:

　　精度高  

　　數(shù)控機床不可能像傳統(tǒng)機床那樣用手動操作來調(diào)整和補償各種誤差泻蚊，因此它要求很高的定位精度和重復(fù)定位精度躲舌。

　　快速響應(yīng)特性好  

　　快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的標志之一。它要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號不僅跟隨誤差小性雄，而且響應(yīng)要快没卸，穩(wěn)定性要好。在系統(tǒng)給定輸入后秒旋，能在短暫的調(diào)節(jié)之后達到新的平衡或是受到外界干擾作用下能迅速恢復(fù)原來的平衡狀態(tài)约计。

　　調(diào)速范圍大  

　　由于工件材料、刀具以及加工要求不同援丐，要保證數(shù)控機床在任何情況下都能得到最佳的切削條件善簸，伺服系統(tǒng)就必須有足夠的調(diào)速范圍，既能滿足高速加工要求苇给，又能滿足低速進給要求呛产。調(diào)速范圍一般大于1:10000。而且在低速切削時北淘，還要求有較大穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩輸出治勒。

　　系統(tǒng)可靠性要好 

　　數(shù)控機床的使用率要求很高，常常是24小時連續(xù)工作不能停機玷源，因而要求工作可靠路倔。

　　數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的基本組成。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)按有無反饋檢測元件分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)攀驶。驅(qū)動控制單元是將進給指令轉(zhuǎn)化為執(zhí)行元件所需要的信號逮赋，執(zhí)行元件將該信號轉(zhuǎn)為機械位移。開環(huán)控制系統(tǒng)沒有反饋檢測元件和比較控制環(huán)節(jié)沫流，這些是閉環(huán)控制系統(tǒng)必須的部分偏控。

　　伺服系統(tǒng)按用途和功能分為進給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng)。按有無反饋檢測元件分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)滑沧。按執(zhí)行元件的不同，分為步進伺服系統(tǒng)巍实、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)滓技。

　　步進伺服系統(tǒng)

　　在20世紀60年代以前哩牍，步進伺服系統(tǒng)是以步進電機驅(qū)動的液壓伺服電動機或是以功率步進電機直接驅(qū)動為特征，伺服系統(tǒng)采用開環(huán)控制令漂。

　　步進伺服系統(tǒng)接受脈沖信號膝昆，它的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)過的角度取決于指令脈沖的頻率或個數(shù)。由于沒有檢測和反饋環(huán)節(jié)叠必，步進電機的精度取決于步距角的精度荚孵，齒輪傳動間隙等，所以它的精度較低纬朝。而且步進電機在低頻時易出現(xiàn)振動現(xiàn)象收叶，它的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降。又由于步進伺服系統(tǒng)為開環(huán)控制共苛，步進電機在啟動頻率過高或負載過大時易出現(xiàn)“丟步”或“堵轉(zhuǎn)”現(xiàn)象判没，停止時轉(zhuǎn)速過高容易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。另外步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要的時間也較長氢莫，速度響應(yīng)較慢钳生。但是由于其結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整邦擎，工作可靠孕称，價格較低的特點，在許多要求不高的場合還是可以應(yīng)用的僧逞。

　　直流伺服系統(tǒng)

　　60～70年代后森肉，數(shù)控系統(tǒng)大多采用直流伺服系統(tǒng)。直流伺服電機具有良好的寬調(diào)速性能。輸出轉(zhuǎn)矩大诈唬，過載能力強角雅，伺服系統(tǒng)也由開環(huán)控制發(fā)展為閉環(huán)控制，因而在工業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域獲得了更加廣泛的運用岳舔。但是，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展刃镶，其相應(yīng)設(shè)備如精密數(shù)控機床躲扣、工業(yè)機器人等對電伺服系統(tǒng)提出越來越高的要求，尤其是精度丸升、可靠性等性能铆农。而傳統(tǒng)直流電動機采用的是機械式換向器，在應(yīng)用過程中面臨很多問題狡耻，如電刷和換向器易磨損墩剖，維護工作量大，成本高;換向器換向時會產(chǎn)生火花夷狰，使電機的最高轉(zhuǎn)速及應(yīng)用環(huán)境受到限制;直流電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜岭皂、成本高郊霎、對其他設(shè)備易產(chǎn)生干擾。

　　這些問題的存在爷绘，限制了直流伺服系統(tǒng)在高精度书劝、高性能要求伺服驅(qū)動場合的應(yīng)用。

　　交流伺服系統(tǒng)

　　針對直流電動機的缺點土至，人們一直在努力尋求以交流伺服電動機取代具有機械換向器和電刷的直流伺服電動機的方法购对，以滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是高精度陶因、高性能伺服驅(qū)動領(lǐng)域的需要协包。但是由于交流電機具有強耦合，非線性的特性北拌，控制非常復(fù)雜扇胀，所以高性能運用一直受到局限。自80年代以來稼崎，隨著電子電力等各項技術(shù)的發(fā)展忌党，特別是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，在矢量控制算法方面的突破清农，原來一直困擾著交流電動機的問題得以解決铺举，交流伺服發(fā)展地越來越快。

　　交流伺服系統(tǒng)的特點

　　交流伺服系統(tǒng)除了具有穩(wěn)定性好栽寄、快速性好劫伊、精度高的特點外，與直流伺服電機系統(tǒng)相比有一系列優(yōu)點:

　　交流電機不存在換向器圓周調(diào)速限制纤耐，也不存在電樞元件中電抗電勢數(shù)值限制姊呐，其轉(zhuǎn)速限制可以設(shè)計得比相同功率的直流電機高。

　　調(diào)速范圍寬助被，目前大多數(shù)的交流伺服電機的變速比可以達到1:5000剖张，高性能的伺服電機的變速比已達1:10000以上。滿足數(shù)控機床傳動調(diào)速范圍寬揩环、靜差率小的要求搔弄。

　　矩頻特性好，交流電機為恒力矩輸出丰滑，即在其額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)輸出額定轉(zhuǎn)矩顾犹，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。并且具有轉(zhuǎn)矩過載能力褒墨，可克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩炫刷。滿足機床伺服系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)相應(yīng)好、定位精度高的要求柬唯。

　　國內(nèi)交流伺服的研究現(xiàn)狀

　　交流伺服的信號和數(shù)控系統(tǒng)接口有三種模式认臊，也是它經(jīng)歷的三個階段圃庭。以國內(nèi)來說锄奢，廣州數(shù)控的DA98屬于第一代也是劃時代的一種伺服驅(qū)動器，它是國內(nèi)第一臺全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動裝置剧腻，它接受方向命令脈沖工划。第二代是以埃斯頓為代表的EDB系列，它不僅能夠接受脈沖命令信號占找，還能接受速度控制或是轉(zhuǎn)矩控制的模擬量的輸入恒左。第三代是網(wǎng)絡(luò)化交流伺服系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)化伺服系統(tǒng)是工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)和全數(shù)字化交流伺服的有機結(jié)合络务，全數(shù)字化交流伺服技術(shù)可以使用戶根據(jù)負載狀況調(diào)整參數(shù)蔬旋，也省去了一些模擬回路所產(chǎn)生的漂移等不穩(wěn)定因素。采用基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)怠鲜，將微處理器和現(xiàn)場總線接口置入全數(shù)字型交流電機伺服驅(qū)動器哩疲，形成智能型獨立的全數(shù)字伺服控制單元，將其直接連接到工業(yè)現(xiàn)場總線上坦庸，就形成了新型的基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)梨脖。減少了硬件數(shù)量和連線，各智能單元結(jié)構(gòu)上獨立自主湃杏，可與外界以及相互間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享屎螟，而且可以加掛其它現(xiàn)場控制設(shè)備，易于擴展迄埃。到目前為止網(wǎng)絡(luò)化交流伺服器在國內(nèi)還沒有成熟產(chǎn)品疗韵。北京航空航天大學(xué)機器人研究所開發(fā)設(shè)計了一種基于DSP＋FPGA+ASIPM的網(wǎng)絡(luò)化交流伺服控制系統(tǒng)，原理樣機已在三維雕刻機上得到了初步的驗證侄非。

　　目前的伺服器驅(qū)動器內(nèi)部大多采用高速DSP處理器蕉汪，推進了各種先進的運動控制算法在新型驅(qū)動器上的使用。在硬件結(jié)構(gòu)上各大伺服系統(tǒng)供應(yīng)商大多采用DSP+CPLD（FPGA）結(jié)構(gòu)彩库，由于DSP和CPLD（FPGA）的可重復(fù)編程性肤无，可以實現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)的模塊化可重構(gòu)。只要為系統(tǒng)配置相應(yīng)不同的軟件（包括控制算法）就可以控制和驅(qū)動異步電機骇钦、永磁同步伺服電機宛渐、無刷直流電機，而通過對FPGA的重新配置還可以驅(qū)動直流電機和三相感應(yīng)式高壓步進電機眯搭。這就為數(shù)控機床的升級以及革新留下了很多的空間窥翩。

　　交流伺服的發(fā)展趨勢

　　隨著生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)向著集成化鳞仙、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展寇蚊。

　　集成化

　　使用單一笔时、多功能的控制單元，通過軟件的設(shè)置實現(xiàn)位置控制和速度控制功能厕斩”嫱罚可以使用本身配置的反饋單元構(gòu)成半閉環(huán)或是通過外部接口構(gòu)成高精度的全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　智能化

　　伺服器控制模式的智能化翠冻，如在內(nèi)部預(yù)先編程實現(xiàn)某種運動軌跡曙早，控制本站點周邊的IO口，內(nèi)帶主從跟隨模式調(diào)整纪闽，電子凸輪等邻冷。

　　網(wǎng)絡(luò)化

　　伺服器間實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化分布式控制。伺服器實現(xiàn)模塊化的可重構(gòu)委勤，節(jié)省成本妆跌。

　　結(jié)束語

　　現(xiàn)代數(shù)控機床是朝著精密化和高速化方向發(fā)展。作為數(shù)控機床主要組成部分的伺服系統(tǒng)宴甩，越來越多的選擇停留在交流伺服上面证账，它具有其他幾種伺服系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢。隨著交流伺服技術(shù)的發(fā)展秦辆，交流伺服系統(tǒng)將逐漸地全面取代直流伺服系統(tǒng)项茸。

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