伺服电机专题之：数控系统伺服电机控制

近年来，伺服电机控制技术正朝着交流、数字、智能三个方向发展。伺服系统作为数控机床的执行机构，集电力电子设备、控制、驱动和保护于一体，经历了从步进到直流再到交流的发展过程。本文简要探讨了其技术现状和发展趋势。 1.数控机床伺服系统

(一)开环伺服系统。开环伺服系统没有检测反馈装置，不构成运动反馈控制电路，电机根据数控装置的指令脉冲工作，运动误差无检测反馈和处理校正过程，以步进电机为驱动装置，机床的位置精度完全取决于步进电机的步距角精度和机械部件的传动精度，难以满足较高的精度要求。步进电机的速度不可能很高，运动部件的速度有限。但步进电机结构简单，可靠性高，成本低，控制电路简单。因此，开环控制系统主要用于精度和速度要求较低的经济型数控机床。 (二)全闭环伺服系统。闭环伺服系统主要由伺服电机、机械传动装置和直线位移测量装置组成。采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动部件，检测和反馈机床运动部件的运动量。高精度全闭环位置控制系统可以直接安装在工作台上的光栅或感应同步器作为位置检测装置。移动部件安装了系统的直线位移检测器，其精度主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度，其加工精度较高。但机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等非线性因素对系统稳定性有很大影响，使得闭环进给伺服系统的安装调试更加复杂。因此，它只用于高精度和大型数控机床。 (三)半闭环伺服系统。半闭环伺服系统的工作原理与全闭环伺服系统相同。伺服电机也用作驱动部件。电机内部可采用脉冲编码器，无刷旋转变压器或速度测量发电机为位置/ 速度检测装置构成半闭环位置控制系统，其反馈信号来自电机轴或螺杆，进给系统中的机械传动装置在反馈电路外，其刚度等非线性因素对系统稳定性无影响，安装调试方便。机床的定位精度与机械传动装置的精度有关，数控装置具有螺距误差补偿和间隙补偿功能。当传动装置精度不太高时，可以利用补偿功能将加工精度提高到满意度。机床的定位精度与机械传动装置的精度有关，数控装置具有螺距误差补偿和间隙补偿功能。当传动装置精度不太高时，可以利用补偿功能将加工精度提高到满意度。因此，半闭环伺服系统广泛应用于数控机床中。 二、伺服电机控制性能优越 （一）低频特性好。步进电机在低速时容易出现低频振动。交流伺服电机不会出现这种现象，运行非常稳定。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械刚度不足，系统具有频率分析功能，可检测机械共振点，便于系统调整。 (二)控制精度高。电机轴后端的旋转编码器保证了交流伺服电机的控制精度。例如，对于带有17位编码器的电机，松下全数字交流伺服电机每接收217位驱动器=131072个脉冲电机转一圈，即脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°步进电机脉冲当量的1/655。 （三）过载能力强。步进电机没有过载能力。为了克服启动时惯性负载的惯性扭矩，需要选择额定扭矩大于负载扭矩的电机，造成扭矩浪费。交流伺服电机具有较强的过载能力。例如，松下交流伺服系统中伺服电机的较大转矩是额定转矩的三倍，可用于克服启动时的惯性转矩。 （四）速度响应快。从静止加速到额定转速步进电机需要200~400毫秒。松下等交流伺服系统响应速度快M A 400W从静止加速到额定转速，交流伺服电机只需几毫秒。 (五)矩频特性好。步进电机的输出扭矩随着转速的增加而下降，转速较高时扭矩会急剧下降，因此其较高工作速度一般为300~600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即其额定转速(一般为2万RPM或3000RPM）额定扭矩可以在其中输出。 三、伺服电机控制展望

(一)伺服电机控制技术的发展促进了加工技术的快速高精度。自20世纪80年代以来，伺服电机逐渐应用于数控系统。交流伺服电机为无刷结构，几乎无需维修，体积相对较小，有利于提高速度和功率。目前，直流伺服系统已在很大程度上取代了直流伺服系统。交流伺服取代直流伺服，软件控制取代硬件控制，已成为当代数控系统伺服技术的发展趋势。由此产生了应用于数控机床伺服进给和主轴装置的交流数字驱动系统。随着微处理器和全数字交流伺服系统的发展，数控系统的计算速度大大提高，采样时间大大降低。软件伺服控制后，硬件伺服控制大大提高了伺服系统的性能。例如OSP-U10/U100网络数控系统的伺服控制环是一种高性能的伺服控制网络，实现了自主控制的伺服装置和部件的分散配置，网络连接，进一步发挥了机床的控制能力和通信速度。这些技术的发展大大促进了伺服系统性能、可靠性、调试方便、灵活性的发展。 此外，先进传感器检测技术的发展也大大提高了交流电机调速系统的动态响应性能和定位精度。交流伺服电机调速系统一般采用无刷旋转变压器、混合光电编码器和绝对值编码器作为位置和速度传感器，其传感器小于1μs响应时间。伺服电机本身也在向高速方向发展，与上述高速编码器合作实现 60m/min甚至100m/min快速进给和1g的加速度。为了保证电机在高速时旋转更加平稳，改进了电机的磁路设计，并配合高速数字伺服软件，即使电机小于1μm在没有爬行的情况下，旋转也显得平滑。 (二)交流直线伺服电机直接驱动进给技术已成熟。数控机床的进给驱动包括旋转伺服电机+精密高速滚珠丝杠和直线电机直接驱动 两种类型。传统的滚珠丝杠工艺成熟，加工精度高，实现高速化的成本相对较低，因此得到了广泛的应用。由球丝杠驱动的高速加工机床较大移动速度为90m/min，加速度 1.5g。但滚珠丝杠是机械传动，机械元件间存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应会造成运动滞后和非线性误差，所以再进一步提高滚珠丝杠副移动速度和加速度比较难了。自20世纪90年代以来，直线电机直接驱动进给驱动模式应用于高速高精度大型加工机床。它具有刚度高、速度范围宽、加速特性好、运动惯性小、动态响应性能好、运行稳定、位置精度高等优点。而直线电机直接驱动，不需要中间机械传动，减少了机械磨损和传动误差，减少了维护工作。与滚珠丝杠传动相比，直线电机的直接驱动速度提高了30倍，加速度提高了10倍，较高达10倍g，刚度提高了7倍，较高响应频率达到100Hz，还有很大的发展空间。目前，在高速高精度加工机床领域，两种驱动模式将长期共存，但从发展趋势来看，直线电机驱动的比例将越来越大。各种迹象表明，直线电机驱动在高速高精度加工机床上的应用已进入加速增长期。