數(shù)控系統(tǒng)伺服電機控制技術(shù)發(fā)展動向

摘要(Abstract)伺服電機控制技術(shù)是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分。為滿足現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)與市場發(fā)展需求，機床數(shù)控系統(tǒng)(包括進給控制和主軸控制)中的伺服電機和控制技術(shù)在現(xiàn)代電機控制理論、電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)等相關(guān)技術(shù)發(fā)展促進下也有了很大突破，近年來，數(shù)控系統(tǒng)進給控制和主軸控制用伺服電機控制技術(shù)正朝著交流化、數(shù)字化、智能化三個方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞(Keywords)交流伺服電機電主軸直線電機直接驅(qū)動

現(xiàn)代電機控制理論發(fā)展使機床數(shù)控伺服系統(tǒng)實現(xiàn)交流化、數(shù)字化、智能化機床數(shù)控系統(tǒng)中，常用的伺服電機和控制系統(tǒng)有：

開環(huán)控制系統(tǒng)

采用步進電機作為驅(qū)動器件，無須位置和速度檢測器件，也沒有反饋電路，控制電路簡單，價格低廉。步進電機和普通電機的區(qū)別主要就在于它的脈沖控制，正是這個特點，步進電機可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。不過步進電機在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的直流伺服電動機。在精度不是需要特別高的場合就可以使用步進電機，步進電機可以發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的特點。

半閉環(huán)和閉環(huán)位置控制系統(tǒng)

采用直流伺服電機或交流伺服電機作為驅(qū)動部件，可以采用內(nèi)裝于電機內(nèi)的脈沖編碼器，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器或測速發(fā)電機作為位置/速度檢測器件來構(gòu)成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，也可以采用直接安裝在工作臺的光柵或感應(yīng)同步器作為位置檢測器件，來構(gòu)成高精度的全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。

70年代，美國GATTYS公司發(fā)明了機床用直流力矩伺服電機，從此各國數(shù)控機床開始大量采用直流伺服電機驅(qū)動。開環(huán)系統(tǒng)逐漸由閉環(huán)系統(tǒng)取代。以直流伺服電機作為驅(qū)動器件的直流伺服系統(tǒng)，控制電路比較簡單，價格較低。其主要缺點是直流伺服電機內(nèi)部有機械換向裝置，碳刷易磨損，維修工作量大，運行時易起火花，給電機的轉(zhuǎn)速和功率的提高帶來較大的困難。交流異步電機雖然價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單，但早期由于控制性能差，所以很長時間沒有在數(shù)控系統(tǒng)上得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代電機控制理論的發(fā)展，1971年，德國西門子的Blaschke發(fā)明了交流異步機的矢量控制法；1980年，德國人Leonhard為首的研究小組在應(yīng)用微處理器的矢量控制的研究中取得進展，使矢量控制實用化。從70年代末，數(shù)控機床逐漸采用異步電機為主軸驅(qū)動電機。

如果把直流電機結(jié)構(gòu)進行“里翻外”的處理，即把電樞繞組裝在定子，轉(zhuǎn)子為永磁部分，并以轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測出磁極位置控制電子開關(guān)進行電子換相，這就構(gòu)成了永磁無刷直流電機。這種交流伺服電機具有良好的伺服性能。從80年代開始，逐漸應(yīng)用在數(shù)控系統(tǒng)的進給驅(qū)動裝置上。交流伺服系統(tǒng)采用交流伺服電機作為驅(qū)動器件，可以和直流伺服電機一樣構(gòu)成高精度、高性能的半閉環(huán)或全閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于交流伺服電機內(nèi)是無刷結(jié)構(gòu)，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉(zhuǎn)速和功率的提高。目前交流伺服系統(tǒng)已在很大范圍內(nèi)取代了直流伺服系統(tǒng)。在當代數(shù)控系統(tǒng)中，伺服技術(shù)取得的突破可以歸結(jié)為：交流伺服取代直流伺服、數(shù)字控制取代模擬控制、或者把它稱為軟件控制取代硬件控制。這兩種突破的結(jié)果產(chǎn)生了交流數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)，應(yīng)用在數(shù)控機床的伺服進給和主軸裝置上。由于電力電子技術(shù)及控制理論、微處理器等微電子技術(shù)的快速發(fā)展，軟件運算及處理能力的提高，采用高速微處理器和專用數(shù)字信號處理器(DSP-DigitalSignalProcessor)的全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)出現(xiàn)后，使系統(tǒng)的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。原來的硬件伺服控制變?yōu)檐浖欧刂疲恍┈F(xiàn)代控制理論中的先進算法得到實現(xiàn)，進而大大地提高了伺服系統(tǒng)的性能，例如OSP-U10/U100網(wǎng)絡(luò)式數(shù)控系統(tǒng)的伺服控制環(huán)就是一種高性能的伺服控制網(wǎng)，它對進行自律控制的各個伺服裝置和部件實現(xiàn)了分散配置，網(wǎng)絡(luò)連接，進一步發(fā)揮了它對機床的控制能力和通信速度。這些技術(shù)的突破，使伺服系統(tǒng)性能改善、可靠性提高、調(diào)試方便、柔性增強，大大推動了高精高速加工技術(shù)的發(fā)展。

采用狀態(tài)觀察器和卡爾曼濾波器可以進行電動機參數(shù)的在線辨識；采用滑模變結(jié)構(gòu)控制可增強電動機控制系統(tǒng)的魯棒性。如能將各種智能控制理論有機地結(jié)合起來，必將開創(chuàng)交流伺服控制的新天地。如模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制都不需要精確的對象模型和參數(shù)，使系統(tǒng)具有很強的魯棒性。

傳感器檢測技術(shù)的發(fā)展也極大地提高了交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能和定位精度。普遍采用的霍爾傳感器具有小于1μs的響應(yīng)時間。交流電動機調(diào)速系統(tǒng)一般選用無刷旋轉(zhuǎn)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。隨著它們的轉(zhuǎn)速、分辨率的不斷提高，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)、調(diào)速范圍以及低速性能也相應(yīng)提高。傳統(tǒng)的具有A、B(兩相信號的編碼器，由于它不能兼顧分辨率和高速度，且信號線太多，從而影響了高精度、高速度的伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)。而新型的編碼器則克服了上述缺點，如日本FANUC公司生產(chǎn)的脈沖編碼器(絕對型)，由于它將來自正余弦信號的角度轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，使它具有4000r/min的高速以及高達1000000p/r或65536p/r的分辨率。另外，伺服電動機本身也在向高速方向發(fā)展，與上述高速編碼器配合實現(xiàn)了60m/min甚至100m/min的快速進給和1g的加速度。而在電動機磁路設(shè)計上也作了改進，使電動機旋轉(zhuǎn)更加平滑，再配合高速數(shù)字伺服軟件，可使電動機即使在小于1μm轉(zhuǎn)動時也顯得平滑而無爬行。以IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)和IPM(智能功率模塊)等新型電力電子器件為基礎(chǔ)的新一代高載波、低噪聲變頻器的開發(fā)，以及新的控制軟件的引入，把變頻調(diào)速引入了一個全新的領(lǐng)域，使原來僅用于開環(huán)控制的變頻器演變成了既能用于開環(huán)控制,也能用于閉環(huán)控制的稱之為“通用型驅(qū)動器”。以英國的CT公司的Unidrive產(chǎn)品和德國AMK公司的AMKASYN產(chǎn)品為代表，使變頻器登上了新的舞臺。下面以CT公司的Unidrive產(chǎn)品為例，給予簡單的介紹。

CT公司在1996年推出了通用型驅(qū)動器系列產(chǎn)品。它的控制板主要由Intel80166CPU、快閃存儲器以及3片CT公司設(shè)計的專用芯片組成，硬件高度集成化，控制板芯片數(shù)量僅為當前市場上通用變頻器的1/4。它按功率可分成5個等級，其中等級1(輸出功率為0.75～4kW)為基本單元，等級5額定功率為120kW(它由基本單元加上擴展功率單元組成)，最多可8臺并聯(lián)，組成1000kW功率輸出。

通用型驅(qū)動器配置有大量的參數(shù)和20個菜單功能，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機控制及再生單元等五種工作方式，適用于各種場合。通用型驅(qū)動器的出現(xiàn)，將大大降低機床用進給系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)的硬件成本。

機床大功率電主軸的高速化、一體化

當前，世界數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢之一是高速、高效、高精度。從80年代開始，由于數(shù)控機床的主軸、進給系統(tǒng)等功能部件的突破，數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速和進給速度都大幅度提高，以及制造技術(shù)的全面進步，使金屬切削加工進入了高速切削的新階段。90年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。高速電主軸單元轉(zhuǎn)數(shù)在30000r/min(有的高達1×105r/min)以上；工作臺的移動速度(進給速度)：在分辨率為1μm時,在100m/min(有的到200m/min)以上,在分辨率為0.1μs時，在24m/min以上。

為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機驅(qū)動進給部件以及高性能控制系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。

超高速加工是繼數(shù)控技術(shù)之后，使制造技術(shù)產(chǎn)生第二次革命性飛躍的一項高新技術(shù)。超高速機床是實現(xiàn)超高速加工的物質(zhì)基礎(chǔ)，而高速主軸單元則是超高速機床的“核心”部件，它的性能直接決定了機床的超高速加工性能。最佳適合高速運轉(zhuǎn)的主軸形式是將主軸電機的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，形成電主軸，實現(xiàn)機床主軸系統(tǒng)的一體化、“零傳動”。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點，并可改善機床的動平衡，避免振動和噪聲，在超高速切削機床上得到了廣泛的應(yīng)用。

電主軸的工作轉(zhuǎn)速極高，這對其結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造和控制提出了非常嚴格的要求，并帶來了一系列技術(shù)難題，如主軸的散熱、動平衡、支承、潤滑及其控制等。在應(yīng)用中，必須妥善解決這些技術(shù)難題，才能確保電主軸高速運轉(zhuǎn)和精密加工的可靠性。

電主軸一體化所融合的技術(shù)包括：

·高速電機技術(shù)

電主軸是電動機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電動機。關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動平衡；

·高速軸承技術(shù)

電主軸通常采用復(fù)合陶瓷滾動軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限；

·油霧潤滑

電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑；也可以采用脂潤滑，但相應(yīng)的速度要打折扣。所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個叫定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時會因油的阻力而<