1 概述

　　作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構财调，伺服系統(tǒng)集電力電子器件功刽、控制、驅動及保護為一體瘸酒，并隨著數(shù)字脈寬調制技術植碳、特種電機材料技術、微電子技術及現(xiàn)代控制技術的進步钙幼，經(jīng)歷了從步進到直流雳唧，進而到交流的發(fā)展歷程。數(shù)控機床中的伺服系統(tǒng)種類繁多仿村。

　　伺服系統(tǒng)是以機械運動的驅動設備一電動機為控制對象锐朴，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構蔼囊，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)焚志。這類系統(tǒng)控制電動機的轉矩、轉速和轉角畏鼓，將電能轉換為機械能酱酬，實現(xiàn)機械的運動要求。數(shù)控機床中云矫，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移膳沽、速度指令，經(jīng)變換泼差、放調與整大后贵少，由電動機和機械傳動機構驅動機床坐標軸、主軸等堆缘，帶動工作臺及刀架滔灶，通過軸的聯(lián)動使刀具相對工件產(chǎn)生各種復雜的機械運動，從而加工出用戶要求的復雜形狀工件怒忧。

　　2 伺服系統(tǒng)的結構

　　從基本結構看拿翠，伺服系統(tǒng)主要由控制器、功率驅動裝置村围、反饋裝置和電動機組成允合。控制器按照數(shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差缅煎，調節(jié)控制量泌盒；功率驅動裝置作為系統(tǒng)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機上督注，調節(jié)電動機轉矩的大猩该堋；另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉換為電動機所需的交流電或直流電芬吸；電動機則按供電大小拖動機械運轉鸭乱。

　　考慮伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床中的應用悍蔫，本文按機床中傳動機械的不同將其分為進給伺服與主軸伺服。

　　3 進給伺服系統(tǒng)的特性

　　進給伺服以數(shù)控機床的各坐標為控制對象橱奶，產(chǎn)生機床的切削進給運動盯桦。為此，要求進給伺服能快速調節(jié)坐標軸的運動速度渤刃，并能精確地進行位置控制拥峦。具體要求其調速范圍寬、位移精度高溪掀、穩(wěn)定性好事镣、動態(tài)響應快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動機揪胃，進給伺服可細分為步進伺服璃哟、直流伺服、交流伺服和直線伺服喊递。

　∷嫔痢（1）步進伺服系統(tǒng)

　　步進伺服是一種用脈沖信號控制，并將脈沖信號轉換成相應角位移的控制系統(tǒng)骚勘。其角位移與脈沖數(shù)成正比铐伴，轉速與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率可調節(jié)電動機的轉速俏讹。如果停機后某些繞組仍保持通電狀態(tài)当宴，則系統(tǒng)還具有自鎖能力。步進電動機每轉1周都有固定的步數(shù)幸园，如500步栓授、1000步、50000步等谐绽，理論上其步距誤差不會累計死发。

　　步進伺服結構簡單，符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展需要绑僵，但精度差谴眶、能耗高、速度低池致，且其功率越大移動速度越低宰蘸。特別是步進伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床及舊設備改造剥犯。但近年發(fā)展起來的恒斬波驅動捂臣、PWM驅動、微步驅動、超微步驅動和混合伺服技術吻育，使步進電動機的高、低頻特性得到很大提高淤井，特別是隨著智能超微步驅動技術的發(fā)展布疼，將把步進伺服的性能提高到新的水平。

　”液荨（2）直流伺服系統(tǒng)

　　直流伺服的工作原理建立在電磁定律基礎上游两。與電磁轉矩相關的是互相獨立的兩個變量：主磁通與電樞電流，分別控制勵磁電流與電樞電流漩绵，可方便地進行轉矩與轉速控制贱案。另一方面，從控制角度看止吐，直流伺服的控制是一個單輸人單輸出的單變量控制系統(tǒng)宝踪，經(jīng)典控制理論完全適用于這種系統(tǒng)，因此碍扔，直流伺服系統(tǒng)控制簡單瘩燥，調速性能優(yōu)異，在數(shù)控機床的進給驅動中曾占據(jù)主導地位不同。

　　然而露揽，從實際運行考慮，直流伺服電動機引人了機械換向裝置酵吴，其成本高屏部、故障多、維護困難律腊，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)藐捉，并對其他設備產(chǎn)生電磁干擾。同時份帮，機械換向器的換向能力限制了電動機的容量和速度驮屑。電動機的電樞在轉子上，使得電動機效率低手财、散熱差论稠。為改善換向能力、減小電樞的漏感徐扯，轉子變得短粗经融，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

　∩涣蟆（3）交流伺服系統(tǒng)

　　針對直流電動機的缺陷雏节，如果將其做“里翻外”的處理，即把電驅繞組裝在定子高职、轉子為永磁部分钩乍，由轉子軸上的編碼器測出磁極位置辞州，就構成永磁無刷電動機，同時寥粹，矢量控制方法的實用化使交流伺服系統(tǒng)具有良好的伺服特性变过。其寬調速范圍、高穩(wěn)速精度涝涤、快速動態(tài)響應及四象限運行等良好的技術性能媚狰，使其動、靜態(tài)特性可與直流伺服系統(tǒng)相媲美阔拳。同時可實現(xiàn)弱磁高速控制崭孤，拓寬了系統(tǒng)的調速范圍，適應了高性能伺服驅動的要求糊肠。

　　目前辨宠，在機床進給伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系統(tǒng)，有三種類型：模擬形式诵执、數(shù)字形式和軟件形式熟央。模擬伺服用途單一，只接收模擬信號唾囚，位置控制通常由上位機實現(xiàn)冗宠；數(shù)字伺服可實現(xiàn)一機多用，如做速度君哮、力矩抄蔬、位置控制，可接收模擬指令和脈沖指令焊槐，各種參數(shù)均以數(shù)字方式設定音共，穩(wěn)定性好，具有較豐富的自診斷斗液、報警功能宗恩；軟件伺服是基于微處理器的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，其將各種控制方式和不同規(guī)格彰晌、功率的伺服電機的監(jiān)控程序以軟件實現(xiàn)领姨。使用時可由用戶設定代碼與相關的數(shù)據(jù)即自動進人工作狀態(tài)。配有數(shù)字接口张弛，改變工作方式荒典、更換電動機規(guī)格時，只需重設代碼即可吞鸭，故也稱萬能伺服寺董。

　　交流伺服已占據(jù)了機床進給伺服的主導地位，并隨著新技術的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三方面：①系統(tǒng)功率驅動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展遮咖，智能化功率模塊得到普及與應用滩字；②基于微處理器嵌人式平臺技術的成熟，將促進先進控制算法的應用御吞；③網(wǎng)絡化制造模式的推廣及現(xiàn)場總線技術的成熟踢械，將使基于網(wǎng)絡的伺服控制成為可能。

　∑桥骸（4）直線伺服系統(tǒng)

　　直線伺服系統(tǒng)采用一種直接驅動方式（direct drive），與傳統(tǒng)的旋轉傳動方式相比撵术，最大特點是取消了電動機到工作臺間的一切機械中間傳動環(huán)節(jié)背率，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。這種“零傳動”方式帶來了旋轉驅動方式無法達到的性能指標邪盼，如加速度可達29．4m／s 以上蛇筷，為傳統(tǒng)驅動裝置的lO一2O倍，進給速度是傳統(tǒng)的4—5倍梗擅。從電動機的工作原理來講慧菜，直線電動機有直流、交流意苞、步進祖匕、永磁、電磁美域、同步和異步等多種方式汪怒；而從結構來講，又有動圈式茧纵、動鐵式杭厘、平板型和圓筒型等形式。目前應用到數(shù)控機床上的主要有高精度高頻向小行程直線電動機與大推力長行程高精度直線電動機兩類郭销。

　　直線伺服是高速高精數(shù)控機床的理想驅動模式隶丁，受機床廠家重視，技術發(fā)展迅速呕童。2001年歐洲機床展上漆际，有幾十家公司展出直線電動機驅動的高速機床，快移速度達100—120m／min拉庵，加速度14．7一19．6m／s 灿椅，其中尤以德國DMG公司與13本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28種機型采用直線電動機驅動钞支，年產(chǎn)1500多臺茫蛹，約占總產(chǎn)量的1／3。而MAZAK公司最近也將推出基于直線伺服系統(tǒng)的超音速加工中心，切削速度8馬赫婴洼，主軸最高轉速80000r／min骨坑，快移速度500m／min，加速度58．8m／s 柬采。所有這些欢唾，都標志著以直線電動機驅動為代表的第二代高速機床，將取代以高速滾珠絲杠驅動為代表的第一代高速機床粉捻，并在使用中逐步占據(jù)主導地位缅含。

　　4 主軸伺服系統(tǒng)的特性

　　主軸伺服提供加工各類工件所需的切削功率，因此杖荤，只需完成主軸調速及正反轉功能脓擅。但當要求機床有螺紋加工、準停和恒線速加工等功能時窥吮，對主軸也提出了相應的位置控制要求嚣僚，因此，要求其輸出功率大哗搏，具有恒轉矩段及恒功率段甫沉，有準停控制酒危，主軸與進給聯(lián)動似靖。與進給伺服一樣，主軸伺服經(jīng)歷了從普通三相異步電動機傳動到直流主軸傳動败旋。隨微處理器技術和大功率晶體管技術的進展椎崎，現(xiàn)在又進人了交流主軸伺服系統(tǒng)的時代。

　』选（1）交流異步伺服系統(tǒng)

　　交流異步伺服通過在三相異步電動機的定子繞組中產(chǎn)生幅值缰犁、頻率可變的正弦電流，該正弦電流產(chǎn)生的旋轉磁場與電動機轉子所產(chǎn)生的感應電流相互作用怖糊，產(chǎn)生電磁轉矩帅容，從而實現(xiàn)電動機的旋轉。其中伍伤，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并徘；正弦電流的頻率可分解為轉子轉速與轉差之和，以實現(xiàn)矢量化控制扰魂。

　　交流異步伺服通常有模擬式麦乞、數(shù)字式兩種。與模擬式相比劝评，數(shù)字式伺服加速特性近似直線姐直，時間短倦淀，且可提高主軸定位控制時系統(tǒng)的剛性和精度，操作方便声畏，是機床主軸驅動采用的主要形式撞叽。然而交流異步伺服存在兩個主要問題：①轉子發(fā)熱，效率較低淤点，轉矩密度較小劣搪，體積較大；②功率因數(shù)較低揉远，因此斟迁，要獲得較寬的恒功率調速范圍，要求較大的逆變器容量衰件。

　∈芷丁（2）交流同步伺服系統(tǒng)

　　近年來，隨著高能低價永磁體的開發(fā)和性能的不斷提高碍逐，使得采用永磁同步調速電動機的交流同步伺服系統(tǒng)的性能日益突出，為解決交流異步伺服存在的問題帶來了希望亥戒。與采用矢量控制的異步伺服相比薪丐，永磁同步電動機轉子溫度低，軸向連接位置精度高率偏，要求的冷卻條件不高脱睛，對機床環(huán)境的溫度影響小，容易達到極小的低限速度浙于。即使在低限速度下也可作恒轉矩運行护盈，特別適合強力切削加工。同時羞酗，其轉矩密度商腐宋、轉動慣量小、動態(tài)響應特性好檀轨，特別適合高生產(chǎn)率運行胸竞。較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参萄，既可以加工像鋁一樣的低硬度材料卫枝，也可以加工很硬很脆的合金，為機床進行最優(yōu)切削創(chuàng)造了條件讹挎。

　⌒３唷（3）電主軸

　　電主軸是電動機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，它將主軸電動機的定子筒溃、轉子直接裝入主軸組件的內部马篮，電動機的轉子即為主軸的旋轉部分沾乘，由于取消了齒輪變速箱的傳動與電動機的連接，實現(xiàn)了主軸系統(tǒng)的一體化椰严、“零傳動”善王。因此，具有結構緊湊荡偶、質量輕带蔬、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點烧乙，可改善機床的動平衡拐扛，避免振動和噪聲，在超高速切削機床上得到廣泛應用辱窘。

　　從理論上講楷焦，電主軸作為高速電動機，既可使用異步交流感應電動機膝班，也可使用永磁同步電動機头位。電主軸的驅動一般使用矢量控制的變頻技術，通常內置一脈沖編碼器來實現(xiàn)廂位控制及與進給的準確配合庇晤。由于電主軸的工作轉速極高虱硝，對其散熱、動平衡厕氨、潤滑等提出了特殊的要求进每。在應用中必須妥善解決才能確保電主軸高速運轉和精密加工。

　　5 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

　　作為數(shù)控機床的重要功能部件命斧，伺服系統(tǒng)的特性一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標田晚。圍繞伺服系統(tǒng)動態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來發(fā)展了多種伺服驅動技術国葬∠屯剑可以預見，隨著超高速切削汇四、超精密加工泞莉、網(wǎng)絡制造等先進制造技術的發(fā)展，具有網(wǎng)絡接口的全數(shù)字伺服系統(tǒng)船殉、直線電動機及高速電主軸等將成為數(shù)控機床行業(yè)關注的熱點鲫趁，并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向。

　±妗（1）交流化

　　伺服技術將繼續(xù)迅速地由DC伺服系統(tǒng)轉向AC伺服系統(tǒng)挨厚。從目前國際市場的情況看，幾乎所有的新產(chǎn)品都是AC伺服系統(tǒng)舔远。在工業(yè)發(fā)達國家弓席，AC伺服電機的市場占有率已超過80％ 阎员。國內生產(chǎn)AC伺服電機的廠家也越來越多，正逐步超過生產(chǎn)DC伺服電機的廠家转是》ヅ海可以預見，在不遠的將來粤段，除了在某些微型電機領域之外肝芯，AC伺服電機將完全取代DC伺服電機。

　〈奔痢（2）全數(shù)字化

　　采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機（DSP）的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元智贰，從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(xiàn)凳赃，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制涣母，從而使在伺服系統(tǒng)中應用現(xiàn)代控制理論的先進算法（如：最優(yōu)控制、人工智能撕贞、模糊控制更耻、神經(jīng)元網(wǎng)絡等）成為可能。

　∧笈颉（3）采用新型電力電子半導體器件

　　目前秧均，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件多采用開關頻率很高的新型功率半導體器件，主要有大功率晶體管（GTR）脊奋、功率場效應管（MOSFET）和絕緣門極晶體管（IGBT）等。這些先進器件的應用顯著降低了伺服單元輸出回路的功耗疙描，提高了系統(tǒng)的響應速度诚隙，降低了運行噪聲。尤其是起胰，最新型的伺服控制系統(tǒng)已開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關器件集成在一起的新型模塊久又，稱為智能控制功率模塊（Intelligent Power Mod—ules，簡稱IPM）效五。這種器件將輸人隔離地消、能耗制動、過溫畏妖、過壓脉执、過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊中。其輸入邏輯電平與TTL信號完全兼容层掺，與微處理器的輸出可直接接口坠汹。它的應用顯著地簡化了伺服單元的設計，并實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化渴门。

　÷咧颉（4）高度集成化

　　新的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)劃分為速度伺服單元與位置伺服單元2個模塊的做法宪隅，代之以單一、高度集成化潭拖、多功能的控制單元赫丈。同一個控制單元，只要通過軟件設置系統(tǒng)參數(shù)就可改變其性能厦螟，既可以使用電機本身配置的傳感器構成半閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)官溜，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成高精度的全閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。高度的集成化還顯著縮小了整個控制系統(tǒng)的體積泛邮，使伺服系統(tǒng)的安裝與調試工作都得到簡化料离。

　　（5）智能化

　　智能化是當前一切工業(yè)控制設備的流行趨勢盯质，伺服驅動系統(tǒng)作為一種高級的工業(yè)控制裝置也不例外袁串。最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設計為智能型產(chǎn)品，其智能化特點表現(xiàn)在：① 都具有參數(shù)記憶功能呼巷。系統(tǒng)的所有運行參數(shù)都可通過人機對話的方式由軟件來設置囱修，保存在伺服單元內部，通過通信接口王悍，這些參數(shù)甚至可以在運行途中由上位計算機加以修改破镰，應用方便；② 都具有故障自診斷與分析功能压储。無論什么時候鲜漩，只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會將故障類型及可能引起故障的原因通過用戶界面清楚地顯示出來集惋，這就簡化了維修與調試的復雜性孕似；③有的伺服系統(tǒng)還具有參數(shù)自整定的功能。眾所周知刮刑，閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標的重要環(huán)節(jié)喉祭，也是需要耗費較多時間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元可通過幾次試運行张重，自動將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來抛惶，并自動實現(xiàn)其最優(yōu)化。對于使用伺服單元的用戶來說斥稍，這是新型伺服系統(tǒng)最具吸引力的特點之一衡蟹。

　　（6）模塊化和網(wǎng)絡化

　　在國外态晤，以工業(yè)局域網(wǎng)技術為基礎的工廠自動化（Factory Automation颈顽，簡稱FA）工程技術在近lO年來得到了長足發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢頭及键。為適應這一發(fā)展趨勢盖赛，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標準的串行通信接口（如RS一232C或RS一422接口等）和專用的局域網(wǎng)接口掺薪。這些接口的設置顯著增強了伺服單元與其它控制設備問的互聯(lián)能力，從而甜届，與CNC系統(tǒng)問的連接也變得簡單啤邑，只需1根電纜或光纜就可將數(shù)臺，甚至數(shù)十臺伺服單元與上位計算機連接為整個數(shù)控系統(tǒng)岩模。也可通過串行接口與可編程控制器（PLC）的數(shù)控模塊相連津函。

　　綜上所述，伺服系統(tǒng)將向兩個方向發(fā)展：一個是滿足一般工業(yè)應用要求孤页，對性能指標要求不高的應用場合尔苦，追求低成本、少維護行施、使用簡單等特點的驅動產(chǎn)品允坚，如變頻電機、變頻器等蛾号；另一個就是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導產(chǎn)品——伺服電機稠项、伺服控制器，追求高性能鲜结、高速度展运、數(shù)字化、智能型精刷、網(wǎng)絡化的驅動控制拗胜，以滿足用戶較高的應用要求。

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