數控系統伺服電機控制淺探
[摘要]伺服電機比步進電機性能更優越，隨著現代電機控制理論的發展，伺服電機控制技術成為了機床數控系統的重要組成部分，并正朝著交流化、數字化、智能化方向發展。
[關鍵詞]數控系統 伺服電機 直接驅動
近年來，伺服電機控制技術正朝著交流化、數字化、智能化三個方向發展。作為數控機床的執行機構，伺服系統將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發展歷程。本文對其技術現狀及發展趨勢作簡要探討。
一、數控機床伺服系統
（一）開環伺服系統。開環伺服系統不設檢測反饋裝置，不構成運動反饋控制回路，電動機按數控裝置發出的指令脈沖工作，對運動誤差沒有檢測反饋和處理修正過程，采用步進電機作為驅動器件，機床的位置精度完全取決于步進電動機的步距角精度和機械部分的傳動精度，難以達到比較高精度要求。步進電動機的轉速不可能很高，運動部件的速度受到限制。但步進電機結構簡單、可靠性高、成本低，且其控制電路也簡單。所以開環控制系統多用于精度和速度要求不高的經濟型數控機床。
（二）全閉環伺服系統。閉環伺服系統主要由比較環節、伺服驅動放大器，進給伺服電動機、機械傳動裝置和直線位移測量裝置組成。對機床運動部件的移動量具有檢測與反饋修正功能，采用直流伺服電動機或交流伺服電動機作為驅動部件。可以采用直接安裝在工作臺的光柵或感應同步器作為位置檢測器件，來構成高精度的全閉環位置控制系統。系統的直線位移檢測器安裝在移動部件上，其精度主要取決于位移檢測裝置的精度和靈敏度，其產生的加工精度比較高。但機械傳動裝置的剛度、摩擦阻尼特性、反向間隙等各種非線性因素，對系統穩定性有很大影響，使閉環進給伺服系統安裝調試比較復雜。因此只是用在高精度和大型數控機床上。
（三）半閉環伺服系統。半閉環伺服系統的工作原理與全閉環伺服系統相同，同樣采用伺服電動機作為驅動部件，可以采用內裝于電機內的脈沖編碼器，無刷旋轉變壓器或測速發電機作為位置/ 速度檢測器件來構成半閉環位置控制系統，其系統的反饋信號取自電機軸或絲桿上，進給系統中的機械傳動裝置處于反饋回路之外，其剛度等非線性因素對系統穩定性沒有影響，安裝調試比較方便。機床的定位精度與機械傳動裝置的精度有關，而數控裝置都有螺距誤差補償和間隙補償等項功能，在傳動裝置精度不太高的情況下，可以利用補償功能將加工精度提高到滿意的程度。故半閉環伺服系統在數控機床中應用很廣。
二、伺服電機控制性能優越
（一）低頻特性好。步進電機易出現低速時低頻振動現象。交流伺服電機不會出現此現象，運轉非常平穩，交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能，可檢測出機械的共振點，便于系統調整。
（二）控制精度高。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。例如松下全數字式交流伺服電機，對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。
（三）過載能力強。步進電機不具有過載能力，為了克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩，選型時需要選取額定轉矩比負載轉矩大很多的電機，造成了力矩浪費的現象。而交流伺服電機具有較強的過載能力，例如松下交流伺服系統中的伺服電機的最大轉矩達到額定轉矩的三倍，可用于克服啟動瞬間的慣性力矩。
（四）速度響應快。步進電機從靜止加速到額定轉速需要200～400毫秒。交流伺服系統的速度響應較快，例如松下MSMA 400W交流伺服電機，從靜止加速到其額定轉速僅需幾毫秒。
（五）矩頻特性佳。步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時轉矩會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩。
三、伺服電機控制展望
（一）伺服電機控制技術的發展推動加工技術的高速高精化。80年代以來，數控系統逐漸應用伺服電機作為驅動器件。交流伺服電機內是無刷結構，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉速和功率的提高。目前交流伺服系統已在很大范圍內取代了直流伺服系統。在當代數控系統中，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的發展趨勢。由此產生了應用在數控機床的伺服進給和主軸裝置上的交流數字驅動系統。隨著微處理器和全數字化交流伺服系統的發展，數控系統的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。硬件伺服控制變為軟件伺服控制后，大大地提高了伺服系統的性能。例如OSP-U10/U100網絡式數控系統的伺服控制環就是一種高性能的伺服控制網，它對進行自律控制的各個伺服裝置和部件實現了分散配置，網絡連接，進一步發揮了它對機床的控制能力和通信速度。這些技術的發展，使伺服系統性能改善、可靠性提高、調試方便、柔性增強，大大推動了高精高速加工技術的發展。
另外，先進傳感器檢測技術的發展也極大地提高了交流電動機調速系統的動態響應性能和定位精度。交流伺服電機調速系統一般選用無刷旋轉變壓器、混合型的光電編碼器和絕對值編碼器作為位置、速度傳感器，其傳感器具有小于1μs的響應時間。伺服電動機本身也在向高速方向發展，與上述高速編碼器配合實現了60m/min甚至100m/min的快速進給和1g的加速度。為保證高速時電動機旋轉更加平滑，改進了電動機的磁路設計，并配合高速數字伺服軟件，可保證電動機即使在小于1μm轉動時也顯得平滑而無爬行。
（二）交流直線伺服電機直接驅動進給技術已趨成熟。數控機床的進給驅動有“旋轉伺服電機＋精密高速滾珠絲杠”和“直線電機直接驅動” 兩種類型。傳統的滾珠絲杠工藝成熟加工精度較高，實現高速化的成本相對較低，所以目前應用廣泛。使用滾，珠絲杠驅動的高速加工機床最大移動速度90m/min，加速度1.5g。但滾珠絲杠是機械傳動，機械元件間存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應會造成運動滯后和非線性誤差，所以再進一步提高滾珠絲杠副移動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床中，應用直線電機直接驅動進給驅動方式。它比滾珠絲杠驅動具有剛度更高、速度范圍更寬、加速特性更好、運動慣量更小、動態響應性能更佳，運行更平穩、位置精度更高等優點。且直線電機直接驅動，不需中間機械傳動，減小了機械磨損與傳動誤差，減少了維護工作。直線電機直接驅動與滾珠絲杠傳動相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大達10g，剛度提高7倍，最高響應頻率達100Hz，還有較大的發展余地。當前，在高速高精加工機床領域中，兩種驅動方式還會并存相當長一段時間，但從發展趨勢來看，直線電機驅動所占的比重會愈來愈大。種種跡象表明，直線電機驅動在高速高精加工機床上的應用已進入加速增長期。
參考文獻：
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[2]《數控機床及其使用維修》，機械工業出版社，盧斌，2005.2.
[3]《伺服電機控制技術》，機電技術，張初生，2006.5.28.
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