伺服电动机在数控系统中的应用分析

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摘 要：伺服电机控制技术是数控系统的重要组成部分。机床数控系统中的伺服电机和控制技术在现代电机控制理论、电力电子技术、微处理器技术等相关技术发展的促进下有了很大突破。通过对伺服电动机在数控系统中的应用进行研究发现：交流伺服控制技术正朝着交流、数字化和智能化方向发展，交流伺服驱动代替传统的液压、直流和步进调速驱动正成为数控系统发展的新趋势。
【关键词】：伺服电机控制 电主轴伺服系统 直线伺服给进技术 伺服系统发展
　　一、伺服电机控制技术交流化、数字化、智能化
　　1.开环控制系统
　　采用步进电机作为驱动器件，无须位置和速度检测器件，也没有反馈电路，控制电路简单，价格低廉。步进电机和普通电机的区别主要在于它的脉冲控制，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。
　　2.半闭环和闭环位置控制系统
　　采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动部件，可以采用装配在电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，也可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件来构成高精度的全闭环位置控制系统。
　　开环系统逐渐由闭环系统取代。以直流伺服电机作为驱动器件的直流伺服系统，控制电路比较简单，价格较低。其主要缺点是直流伺服电机内部有机械换向装置，碳刷易磨损，维修工作量大，运行时易起火花，给电机的转速和功率的提高带来较大的困难。从10年代末，数控机床逐渐采用异步电机为主轴驱动电机。
　　目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中，伺服技术取得的突破可以归结为：交流伺服取代直流伺服、数字控制取代模拟控制、或者把它称为软件控制取代硬件控制。这两种突破的结果产生了交流数字驱动系统，应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上。由于电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，采用高速微处理器和专用数字信号处理的计算速度大大提高，采样的时间大大减少。原来的硬件伺服控制变为软件伺服控制，一些现代控制理论中的先进算法得到实现，进而大大地提高了伺服系统的性能，这些技术的突破，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强，大大推动了高精高速加工技术的发展。
　　3.数字伺服控制与模拟伺服控制
　　目前，伺服系统的数字控制大都采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微机实现的。这是因为基于微机实现的数字伺服控制器与模拟伺服控制器相比，具有如下优点：
　　（1）能明显地降低控制器硬件成本。
　　（2）可显著改善控制的可靠性。
　　（3）数字电路温度漂移小，不存在参数的影响，稳定性好。
　　（4）硬件电路易标准化。
　　（5）采用微处理机得数控控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位系统机联运，可随时改变控制参数。
　　（ ）软件可以模块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法，模块可以方便地增加、更改、删减或更新。
　　（1）提高了信息存储、监控、诊断以及分级控制的能力，使伺服系统更趋智能化。
　　（8）随着微机芯片运算速度和存储器容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。
　　4.伺服系统的智能控制
　　自20世纪80年代后期以来，随着现代工业的快速发展，对作为工业设备的重要驱动源之一的伺服系统提出了越来越高的要求，研究和发展高性能交流伺服系统成为国内外同仁的共识。有些努力已近取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作电机材料的性能，改进电机结构，提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向和努力。“软形式”上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。
　　对于发展高性能交流伺服系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形式”存在的伺服电机、逆变器以相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因素的制约；而以“软形式”存在的控制策略具有较大的柔性，近来随着控制理论新的发展，尤其智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术的迅猛发展，使得基于智能控制的先进控制策略和基于传统控制的基本理念有了好的结合。
　　二、交流主轴伺服系统的高速化、一体化
　　1.交流主轴伺服系统的高速化
　　当前，世界数控技术及其装备发展的趋势是高速、高效、高精度。从80年代开始，由于数控机床的主轴、给进系统等功能部件的突破，数控机床的主轴转速和进给速度都大幅提高，以及制造技术去全面进步，使金属切削加工进入了高速切削的新阶段。超高速加工是继数控技术之后，使制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术。超高速机床是实现超高速加工的物质基础，而高速主轴单元则是超高速机床的“核心”部件，它的性能直接决定了机床的超高速加工性能。最佳适合高速运转的主轴形式是将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，形成电主轴，实现机床主轴系统的一体化、“零转动”。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用。
　　电主轴的工作转速极高，这对其结构设计、制造和控制提出了非常严格的要求，并带来了一系列技术难题，如主轴的散热、动平衡、支撑、润滑及其控制等。在应用中，必须妥善解决这些技术难题，才能确保电主轴高速运转和精密加工的可靠性。
　　2.电主轴一体化所融合的技术
　　（1）高速电机技术。电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡。
　　（2）高速轴承技术。电主轴通常采用符合陶瓷滚动轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论寿命无限。
　　（3）油雾润滑。电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。
　　（4）冷却装置。为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。
　　（5）内置脉冲编码器。为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。主轴系统所用的位置编码器分辨率也已达到3 0000p/r。
　　（ ）高频变频装置。当前高速高精加工机床一般都使用矢量控制的变频驱动电主轴，常内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的准确配合，电机定子和主轴轴承用恒温水循环冷却。所使用的主轴轴承主要是定时定量油气润滑的高精度陶瓷球角接触球轴承，转速不太高的机床也有采用脂润滑的。
　　主轴传动用电动机和进给传动一样，经历了从普遍三相异步电动机传动到直流主轴传动，而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的应用，现在又进入了交流主轴伺服系统的年代，目前已很少见到在数控机床上有使用直流主轴伺服系统了。当代电主轴所使用的电机，不仅有异步交流感应电机，还有永磁同步电机，后者在相同功率下，外形尺寸较小，且转子为永久磁铁不发热。
　　三、直线电机驱动的直线伺服进给技术
　　高速高精加工机床的进给驱动，主要有传统的“旋转伺服电机+精密高速滚珠丝杠”和新型的“直线电机直接驱动”两种类型。
           
       滚珠丝杠由于工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高（IS034081级），而且实现高速化得成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机械所采用。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90 m/min，加速度1.5 g。但滚珠丝杠毕竟是机械传动，从伺服电机到移动部件间有一系列机械元件，势必存在弹性形变、摩擦和反向间隙，相应造成运动滞后和其他非线性失误，目前滚珠丝杠副的移动速度和加速度已提高较多，再进一步提高的余地有限。自1993年，在机床进给上开始应用直线电机直接驱动，它是高速高精加工机床特别是其中的大型机床更理想的驱动方式。目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208 m/min，加速度2 g，并且还有发展余地。
　　直线电机直接驱动的优点（与滚珠丝杠传动相比）是：
　　（1）高刚度。直线电机直接和负载连接，没有间隙，有更高的动态刚度。
　　（2）更宽的速度范围。现代电机技术，很容易实现宽调速，速度变化范围可达1∶10000以上。
　　（3）加速特性好、运动惯性小、有更高动态响应性能。
　　（4）运行平稳，位置精度高。
　　（5）无行程限制。
　　（ ）采用模块结构，可接长适应不同行程要求。
　　（1）采用直线电机直接驱动。
　　（8）省去了一切中间机械传动，从根本上减少了机械磨损与传动误差，减少维护工作。
　　（9）轨迹误差小，高速下可获得良好的定位精度。直线电机直接驱动也存在一些缺点和问题，除控制难度大外，还存在强磁场对周边产生磁干扰，影响滚动导轨副的寿命，同时给排屑、装配、维修带来困难，以及发热大、散热条件差。需解决散热、隔磁、足够的推力、自锁和移动部件轻量化等方面的问题，才能在机床上实际应用，同时成本较高也影响其推广应用。
　　在高速高精加工机床领域，直线电机驱动和滚珠丝杆驱动虽然还会并存相当长一段时间，但总的趋势是直线电机驱动所占比重会越来越大，将来很有可能成为此种机床进给驱动的主流。直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。
　　四、伺服系统的发展展望
　　伺服系统作为现代工业生产设备的重要驱动源之一，是工业自动化不可缺少的基础技术。
　　目前，基于稀土永磁体的交流永磁伺服驱动系统，能提供最高水平的动态响应和扭矩密度。所以拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动代替传统的液压、直流和步进调速驱动，以便使系统性能达到一个全新的水平，包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。因此，交流伺服这样一种扮演重要支柱技术角色的自动控制系统，在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、雷达和各种军用武器随动系统和柔性制造系统等。
　　参考文献：
　　［1］王健.现代交流伺服系统技术和市场发展综述［J］.伺服控制，2001（1）.
　　［2］郭庆鼎，王成元.交流伺服系统［M］.北京:机械工业出版社,1994.
　　［3］许晓峰.电机及拖动［M］.北京：高等教育出版社，2001.
　　［4］魏炳贵.电力拖动基础［M］.北京：机械工业出版社，1994.
            
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