數(shù)控系統(tǒng)伺服電機(jī)控制

劉西明

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

伺服電機(jī)比步進(jìn)電機(jī)性能更優(yōu)越，隨著現(xiàn)代電機(jī)控制理論的發(fā)展，伺服電機(jī)控制技術(shù)成為了機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，并正朝著交流化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。

1 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)

1.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)不設(shè)檢測(cè)反饋裝置，不構(gòu)成運(yùn)動(dòng)反饋控制回路，電動(dòng)機(jī)按數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖工作，對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差沒有檢測(cè)反饋和處理修正過程，采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件，機(jī)床的位置精度完全取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角精度和機(jī)械部分的傳動(dòng)精度，難以達(dá)到比較高精度要求。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能很高，運(yùn)動(dòng)部件的速度受到限制。但步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低，且其控制電路也簡(jiǎn)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(jì)型數(shù)控機(jī)床。

1.2 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(dòng)放大器，進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和直線位移測(cè)量裝置組成。對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的移動(dòng)量具有檢測(cè)與反饋修正功能，采用直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件?？梢圆捎弥苯影惭b在工作臺(tái)的光柵或感應(yīng)同步器作為位置檢測(cè)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(cè)器安裝在移動(dòng)部件上，其精度主要取決于位移檢測(cè)裝置的精度和靈敏度，其產(chǎn)生的加工精度比較高。但機(jī)械傳動(dòng)裝置的剛度、摩擦阻尼特性、反向間隙等各種非線性因素，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大影響，使閉環(huán)進(jìn)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(jī)床上。

1.3 半閉環(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(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，可以采用內(nèi)裝于電機(jī)內(nèi)的脈沖編碼器，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器或測(cè)速發(fā)電機(jī)作為位置/速度檢測(cè)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(hào)取自電機(jī)軸或絲桿上，進(jìn)給系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)裝置處于反饋回路之外，其剛度等非線性因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響，安裝調(diào)試比較方便。機(jī)床的定位精度與機(jī)械傳動(dòng)裝置的精度有關(guān)，而數(shù)控裝置都有螺距誤差補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償?shù)软?xiàng)功能，在傳動(dòng)裝置精度不太高的情況下，可以利用補(bǔ)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(jī)床中應(yīng)用很廣。

2 伺服電機(jī)控制性能優(yōu)越

2.1 低頻特性好

步進(jìn)電機(jī)易出現(xiàn)低速時(shí)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象，運(yùn)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(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能，可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。

2.2 控制精度高

交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)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(jī)，對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機(jī)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(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。

2.3 過載能力強(qiáng)

步進(jìn)電機(jī)不具有過載能力，為了克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩，選型時(shí)需要選取額定轉(zhuǎn)矩比負(fù)載轉(zhuǎn)矩大很多的電機(jī)，造成了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。而交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力，例如松下交流伺服系統(tǒng)中的伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。

2.4 速度響應(yīng)快

步進(jìn)電機(jī)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MSMA 400W交流伺服電機(jī)，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速僅需幾毫秒。

2.5 矩頻特性佳

步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)矩會(huì)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(jī)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。

3 伺服電機(jī)控制展望

3.1 伺服電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)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(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件。交流伺服電機(jī)內(nèi)是無刷結(jié)構(gòu)，幾乎不需維修，體積相對(duì)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(shì)。由此產(chǎn)生了應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給和主軸裝置上的交流數(shù)字驅(qū)動(dòng)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(jì)算速度大大提高，采樣時(shí)間大大減少。硬件伺服控制變?yōu)檐浖欧刂坪?，大大地提高了伺服系統(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(duì)進(jìn)行自律控制的各個(gè)伺服裝置和部件實(shí)現(xiàn)了分散配置，網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)一步發(fā)揮了它對(duì)機(jī)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(qiáng)，大大推動(dòng)了高精高速加工技術(shù)的發(fā)展。

另外，先進(jìn)傳感器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展也極大地提高了交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和定位精度。交流伺服電機(jī)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(duì)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(shí)間。伺服電動(dòng)機(jī)本身也在向高速方向發(fā)展，與上述高速編碼器配合實(shí)現(xiàn)了60m/min甚至100m/min的快速進(jìn)給和1g的加速度。為保證高速時(shí)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)更加平滑，改進(jìn)了電動(dòng)機(jī)的磁路設(shè)計(jì)，并配合高速數(shù)字伺服軟件，可保證電動(dòng)機(jī)即使在小于1μm轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也顯得平滑而無爬行。

3.2 交流直線伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給技術(shù)已趨成熟

數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)有“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)＋精密高速滾珠絲杠”和“直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)”兩種類型。傳統(tǒng)的滾珠絲杠工藝成熟加工精度較高，實(shí)現(xiàn)高速化的成本相對(duì)較低，所以目前應(yīng)用廣泛。使用滾，珠絲杠驅(qū)動(dòng)的高速加工機(jī)床最大移動(dòng)速度90m/min，加速度1.5g。但滾珠絲杠是機(jī)械傳動(dòng)，機(jī)械元件間存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應(yīng)會(huì)造成運(yùn)動(dòng)滯后和非線性誤差，所以再進(jìn)一步提高滾珠絲杠副移動(dòng)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(jī)床中，應(yīng)用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)方式。它比滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)具有剛度更高、速度范圍更寬、加速特性更好、運(yùn)動(dòng)慣量更小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能更佳，運(yùn)行更平穩(wěn)、位置精度更高等優(yōu)點(diǎn)。且直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，不需中間機(jī)械傳動(dòng)，減小了機(jī)械磨損與傳動(dòng)誤差，減少了維護(hù)工作。直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與滾珠絲杠傳動(dòng)相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大達(dá)10g，剛度提高7倍，最高響應(yīng)頻率達(dá)100Hz，還有較大的發(fā)展余地。當(dāng)前，在高速高精加工機(jī)床領(lǐng)域中，兩種驅(qū)動(dòng)方式還會(huì)并存相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，但從發(fā)展趨勢(shì)來看，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)所占的比重會(huì)愈來愈大。種種跡象表明，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)在高速高精加工機(jī)床上的應(yīng)用已進(jìn)入加速增長(zhǎng)期。

[1]《交流伺服電機(jī)控制技術(shù)的研究》，中國(guó)測(cè)試技術(shù)，鄭列勤，2006.5.

[2]《數(shù)控機(jī)床及其使用維修》，機(jī)械工業(yè)出版社，盧斌，2005.2.

[3]《伺服電機(jī)控制技術(shù)》，機(jī)電技術(shù)，張初生，2006.5.28.