探析數(shù)控系統(tǒng)伺服電機(jī)控制

楊春紅

【摘 要】作為數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，伺服系統(tǒng)的特性一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標(biāo)。圍繞伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來發(fā)展了多種伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。伺服控制技術(shù)是決定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，是國外交流伺服技術(shù)封鎖的主要部分。伺服系統(tǒng)在加工機(jī)械、半導(dǎo)體制造、部件組裝等方面得到了廣泛的應(yīng)用。隨著中國從制造業(yè)大國邁向制造業(yè)強(qiáng)國的進(jìn)程和全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的性能價(jià)格比逐步提高，交流（AC）伺服系統(tǒng)作為控制電機(jī)類高檔精密部件，其市場需求將穩(wěn)步增長。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控機(jī)床 伺服系統(tǒng) 伺服電機(jī)

伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，電動(dòng)機(jī)為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。具體在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指令，經(jīng)變換、放大與調(diào)整后，由電動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)軸、主軸等，帶動(dòng)工作臺(tái)及刀架，通過軸的聯(lián)動(dòng)使刀具相對工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而加工出用戶所要求的復(fù)雜形狀的工件。作為數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流，進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。

1數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)

（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)即無位置反饋的系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)元件主要是功率步進(jìn)電機(jī)或電液脈沖馬達(dá)。開環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，但精度差，低速不平穩(wěn)，高速扭矩小。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。

（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)是誤差控制隨動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的誤差，是CNC輸出的位置指令和機(jī)床工作臺(tái)（或刀架）實(shí)際位置的差值。閉環(huán)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件不能反映運(yùn)動(dòng)的位置，因此需要有位置檢測裝置。由于閉環(huán)伺服系統(tǒng)是反饋控制，反饋測量裝置精度很高，從而大大提高跟隨精度和定位精度。目前閉環(huán)系統(tǒng)的分辨率多數(shù)為1μm，定位精度可達(dá)±0.01mm～±0.005mm；高精度系統(tǒng)分辨率可0.1μm。因此只是用在高精度和大型數(shù)控機(jī)床上。

（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)位置檢測元件不直接安裝在進(jìn)給坐標(biāo)的最終運(yùn)動(dòng)部件上，而是中間經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng)部件的位置轉(zhuǎn)換，又稱間接測量。半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)是一致的，不同點(diǎn)只是閉環(huán)系統(tǒng)環(huán)內(nèi)包括多的機(jī)械傳動(dòng)部件，傳動(dòng)誤差均可被補(bǔ)償。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

（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，可檢測出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。

（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)，對于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89″。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。

（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。

（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。

（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交流伺服電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢

交流伺服系統(tǒng)由于控制原理的先進(jìn)性，成本低、免維護(hù)，并且控制特性正在全面超越直流伺服系統(tǒng)，其勢必將在絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流伺服電機(jī)。

AC伺服系統(tǒng)當(dāng)前的發(fā)展趨勢：

（1）高效率化 高速、高精、高性能化。盡管這方面的工作早就在進(jìn)行，但是仍需要繼續(xù)加強(qiáng)。主要包括電機(jī)本身的高效率，也包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效率化，采用更高精度的編碼器（每轉(zhuǎn)百萬脈沖級），更高采樣精度和數(shù)據(jù)位數(shù)、直線電機(jī)，以及應(yīng)用自適應(yīng)、人工智能等各種現(xiàn)代控制策略，不斷將伺服系統(tǒng)的指標(biāo)提高。

（2）通用化。通用型驅(qū)動(dòng)器配置有大量的參數(shù)和豐富的菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下，方便地設(shè)置成V/F控制、無速度傳感器開環(huán)矢量控制、閉環(huán)磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動(dòng)機(jī)控制及再生單元等五種工作方式，適用于各種場合，可以驅(qū)動(dòng)不同類型的電機(jī)。

（3）智能化?，F(xiàn)代交流伺服驅(qū)動(dòng)器都具備參數(shù)記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數(shù)進(jìn)口驅(qū)動(dòng)器都具備負(fù)載慣量測定和自動(dòng)增益調(diào)整功能，有的可以自動(dòng)辨識(shí)電機(jī)的參數(shù)，自動(dòng)測定編碼器零位，有些則能自動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)抑止。

（4）網(wǎng)絡(luò)化和模塊化。現(xiàn)代工業(yè)局域網(wǎng)發(fā)展的重要方向和各種總線標(biāo)準(zhǔn)競爭的焦點(diǎn)就是如何適應(yīng)高性能運(yùn)動(dòng)控制對數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性、可靠性、同步性的要求。隨著國內(nèi)對大規(guī)模分布式控制裝置的需求上升，高檔數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)成功，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字伺服的開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。模塊化不僅指伺服驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、再生制動(dòng)模塊、通訊模塊之間的組合方式，而且指伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部軟件和硬件的模塊化和可重用。

（5）小型化和大型化。無論是永磁無刷伺服電機(jī)還是步進(jìn)電機(jī)都積極向更小的尺寸發(fā)展，比如20，28，35mm外徑；同時(shí)也在發(fā)展更大功率和尺寸的機(jī)種，已經(jīng)看到500KW永磁伺服電機(jī)的出現(xiàn)。體現(xiàn)了向兩極化發(fā)展的傾向。

21世紀(jì)是一個(gè)嶄新的世紀(jì)，也定將是各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的世紀(jì)。相信隨著材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的逐步提高，同時(shí)伴隨著制造業(yè)的不斷升級和制造技術(shù)的快速發(fā)展，必將為加工和制造技術(shù)的核心技術(shù)之一的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)迎來又一大好的發(fā)展時(shí)機(jī)！

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