数控机床中伺服系统技术特性的应用

1 概述
　　作为数控机床的执行机构，伺服系统集电力电子器件、控制、驱动及保护为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多。
　　伺服系统是以机械运动的驱动设备一电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现机械的运动要求。数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户要求的复杂形状工件。
2 伺服系统的结构
　　从基本结构看，伺服系统主要由控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机组成。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机上，调节电动机转矩的大小；另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。
　　考虑伺服系统在数控机床中的应用，本文按机床中传动机械的不同将其分为进给伺服与主轴伺服。
3 进给伺服系统的特性
　　进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。为此，要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机，进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服[2]。
（1）步进伺服系统
　　步进伺服是一种用脉冲信号控制，并将脉冲信号转换成相应角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力。步进电动机每转1周都有固定的步数，如500步、1000步、50000步等，理论上其步距误差不会累计。
　　步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使步进电动机的高、低频特性得到很大提高，特别是随着智能超微步驱动技术的发展，将把步进伺服的性能提高到新的水平。
（2）直流伺服系统
　　直流伺服的工作原理建立在电磁定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量：主磁通与电枢电流，分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。另一方面，从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输人单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据主导地位。
　　然而，从实际运行考虑，直流伺服电动机引人了机械换向装置，其成本高、故障多、维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时，机械换向器的换向能力限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低、散热差。为改善换向能力、减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。
（3）交流伺服系统
　　针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成永磁无刷电动机，同时，矢量控制方法的实用化使交流伺服系统具有良好的伺服特性。其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。
　　目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现；数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制，可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好，具有较丰富的自诊断、报警功能；软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统，其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进人工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。
　　交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三方面：①系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；②基于微处理器嵌人式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；③网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。
（4）直线伺服系统
　　直线伺服系统采用一种直接驱动方式（direct drive），与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标，如加速度可达29．4m／s 以上，为传统驱动装置的lO一2O倍，进给速度是传统的4—5倍。从电动机的工作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度高频向小行程直线电动机与大推力长行程高精度直线电动机两类。
　　直线伺服是高速高精数控机床的理想驱动模式，受机床厂家重视，技术发展迅速。2001年欧洲机床展上，有几十家公司展出直线电动机驱动的高速机床，快移速度达100—120m／min，加速度14．7一19．6m／s ，其中尤以德国DMG公司与13本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28种机型采用直线电动机驱动，年产1500多台，约占总产量的1／3。而MAZAK公司最近也将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切削速度8马赫，主轴最高转速80000r／min，快移速度500m／min，加速度58．8m／s 。所有这些，都标志着以直线电动机驱动为代表的第二代高速机床，将取代以高速滚珠丝杠驱动为代表的第一代高速机床，并在使用中逐步占据主导地位。
4 主轴伺服系统的特性
　　主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。与进给伺服一样，主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。随微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进人了交流主轴伺服系统的时代[3]。
（1）交流异步伺服系统
　　交流异步伺服通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流，该正弦电流产生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，从而实现电动机的旋转。其中，正弦电流的幅值可分解为给定或可调的励磁电流与等效转子力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解为转子转速与转差之和，以实现矢量化控制。
　　交流异步伺服通常有模拟式、数字式两种。与模拟式相比，数字式伺服加速特性近似直线，时间短，且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精度，操作方便，是机床主轴驱动采用的主要形式。然而交流异步伺服存在两个主要问题：①转子发热，效率较低，转矩密度较小，体积较大；②功率因数较低，因此，要获得较宽的恒功率调速范围，要求较大的逆变器容量。
（2）交流同步伺服系统
　　近年来，随着高能低价永磁体的开发和性能的不断提高，使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系统的性能日益突出，为解决交流异步伺服存在的问题带来了希望。与采用矢量控制的异步伺服相比，永磁同步电动机转子温度低，轴向连接位置精度高，要求的冷却条件不高，对机床环境的温度影响小，容易达到极小的低限速度。即使在低限速度下也可作恒转矩运行，特别适合强力切削加工。同时，其转矩密度商、转动惯量小、动态响应特性好，特别适合高生产率运行。较易达到很高的调速比，允许同一机床主轴具有多种加工能力，既可以加工像铝一样的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，为机床进行最优切削创造了条件[4]。
（3）电主轴
　　电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，它将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，电动机的转子即为主轴的旋转部分，由于取消了齿轮变速箱的传动与电动机的连接，实现了主轴系统的一体化、“零传动”。因此，具有结构紧凑、质量轻、惯性小、动态特性好等优点，可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到广泛应用。
　　从理论上讲，电主轴作为高速电动机，既可使用异步交流感应电动机，也可使用永磁同步电动机。电主轴的驱动一般使用矢量控制的变频技术，通常内置一脉冲编码器来实现厢位控制及与进给的准确配合。由于电主轴的工作转速极高，对其散热、动平衡、润滑等提出了特殊的要求。在应用中必须妥善解决才能确保电主轴高速运转和精密加工。
5 伺服系统的发展趋势
　　作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见，随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。
（1）交流化
　　伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达国家，AC伺服电机的市场占有率已超过80％ 。国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多，正逐步超过生产DC伺服电机的厂家。可以预见，在不远的将来，除了在某些微型电机领域之外，AC伺服电机将完全取代DC伺服电机。
（2）全数字化
　　采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法（如：最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）成为可能。
（3）采用新型电力电子半导体器件
　　目前，伺服控制系统的输出器件多采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘门极晶体管（IGBT）等。这些先进器件的应用显著降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其是，最新型的伺服控制系统已开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块（Intelligent Power Mod—ules，简称IPM）。这种器件将输人隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块中。其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。
（4）高度集成化
　　新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元2个模块的做法，代之以单一、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数就可改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著缩小了整个控制系统的体积，使伺服系统的安装与调试工作都得到简化。
（5）智能化
　　智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，其智能化特点表现在：① 都具有参数记忆功能。系统的所有运行参数都可通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用方便；② 都具有故障自诊断与分析功能。无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障类型及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性；③有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。
（6）模块化和网络化
　　在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（Factory Automation，简称FA）工程技术在近lO年来得到了长足发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口（如RS一232C或RS一422接口等）和专用的局域网接口。这些接口的设置显著增强了伺服单元与其它控制设备问的互联能力，从而，与CNC系统问的连接也变得简单，只需1根电缆或光缆就可将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接为整个数控系统。也可通过串行接口与可编程控制器（PLC）的数控模块相连。
　　综上所述，伺服系统将向两个方向发展：一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等；另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品——伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。