数控伺服系统的发展研究

伯特利数控陈生

作为数控机床的执行机构， 伺服系统将电力电子器件、 控制、驱动及保护等集为一体， 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，经历了从步进伺服系统到直流伺服系统。进而到交流伺服系统的发展历程。

数控机床的伺服系统主要有两种：进给伺服系统和主轴伺服系统。进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能， 是数控机床中要求最高的伺服系统，它的性能决定了数控机床的最大进给速度和定位精度等。具有C轴控制的主轴和进给伺服系统一样， 为一般概念的位置伺服控制系统。而随着高速加工技术的发展，对主轴伺服系统的要求也越来越高。

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1、 进给伺服系统

数控机床的进给伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量， 接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换以及电压、 功率放大， 检测反馈， 最终实现机床工作台相对于刀具运动轨迹的控制系统。数控机床对进给伺服系统的位置控制、 速度控制、 伺服电动机和机械传动等方面都有很高的要求。

1.1步进伺服系统。步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。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， 使得步进电动机的高低频特性得到了很大的提高，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一个新的水平。

1.2 直流伺服系统。直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。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，它们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入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着主导地位。

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1.3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，就构成了永磁无刷电动机， 同时随着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、 静态特性已完全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。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， 具体体现在三个方面：（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）基于微处理器嵌入式平台技术的成熟， 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。

1.4 直线伺服系统。直线伺服系统采用的是一种直接驱动（direct drive） 方式， 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，从而使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。

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2、 主轴伺服系统

主轴伺服系统的现状及展望：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。随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。

2.1 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。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。2.2 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。同时其转矩密度高，转动惯量小， 动态响应特性好， 特别适合高生产率运行。较容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。

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3、 结语

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、直线电动机以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。

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