摘要(Abstract)伺服電機(jī)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(chǎng)發(fā)展需求，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)(包括進(jìn)給控制和主軸控制)中的伺服電機(jī)和控制技術(shù)在現(xiàn)代電機(jī)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(jìn)下也有了很大突破，近年來，數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)給控制和主軸控制用伺服電機(jī)控制技術(shù)正朝著交流化、數(shù)字化、智能化三個(gè)方向發(fā)展。

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

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

開環(huán)控制系統(tǒng)

采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件，無須位置和速度檢測(cè)器件，也沒有反饋電路，控制電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的區(qū)別主要就在于它的脈沖控制，正是這個(gè)特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。不過步進(jìn)電機(jī)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(dòng)機(jī)。在精度不是需要特別高的場(chǎng)合就可以使用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)可以發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和成本低的特點(diǎn)。

半閉環(huán)和閉環(huán)位置控制系統(tǒng)

采用直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，可以采用內(nèi)裝于電機(jī)內(nèi)的脈沖編碼器，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器或測(cè)速發(fā)電機(jī)作為位置/速度檢測(cè)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(tái)的光柵或感應(yīng)同步器作為位置檢測(cè)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(guó)GATTYS公司發(fā)明了機(jī)床用直流力矩伺服電機(jī)，從此各國(guó)數(shù)控機(jī)床開始大量采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。開環(huán)系統(tǒng)逐漸由閉環(huán)系統(tǒng)取代。以直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件的直流伺服系統(tǒng)，控制電路比較簡(jiǎn)單，價(jià)格較低。其主要缺點(diǎn)是直流伺服電機(jī)內(nèi)部有機(jī)械換向裝置，碳刷易磨損，維修工作量大，運(yùn)行時(shí)易起火花，給電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率的提高帶來較大的困難。交流異步電機(jī)雖然價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但早期由于控制性能差，所以很長(zhǎng)時(shí)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(jī)控制理論的發(fā)展，1971年，德國(guó)西門子的Blaschke發(fā)明了交流異步機(jī)的矢量控制法；1980年，德國(guó)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(jìn)展，使矢量控制實(shí)用化。從70年代末，數(shù)控機(jī)床逐漸采用異步電機(jī)為主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

如果把直流電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(cè)出磁極位置控制電子開關(guān)進(jìn)行電子換相，這就構(gòu)成了永磁無刷直流電機(jī)。這種交流伺服電機(jī)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(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置上。交流伺服系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件，可以和直流伺服電機(jī)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(jī)內(nèi)是無刷結(jié)構(gòu)，幾乎不需維修，體積相對(duì)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(dāng)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(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)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(yùn)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(hào)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(jì)算速度大大提高，采樣時(shí)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(jìn)算法得到實(shí)現(xiàn)，進(jìn)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(duì)進(jìn)行自律控制的各個(gè)伺服裝置和部件實(shí)現(xiàn)了分散配置，網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)一步發(fā)揮了它對(duì)機(jī)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(qiáng)，大大推動(dòng)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(jìn)行電動(dòng)機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí)；采用滑模變結(jié)構(gòu)控制可增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒性。如能將各種智能控制理論有機(jī)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(duì)象模型和參數(shù)，使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性。

傳感器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展也極大地提高了交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)間。交流電動(dòng)機(jī)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(duì)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(dòng)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(hào)的編碼器，由于它不能兼顧分辨率和高速度，且信號(hào)線太多，從而影響了高精度、高速度的伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。而新型的編碼器則克服了上述缺點(diǎn)，如日本FANUC公司生產(chǎn)的脈沖編碼器(絕對(duì)型)，由于它將來自正余弦信號(hào)的角度轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，使它具有4000r/min的高速以及高達(dá)1000000p/r或65536p/r的分辨率。另外，伺服電動(dòng)機(jī)本身也在向高速方向發(fā)展，與上述高速編碼器配合實(shí)現(xiàn)了60m/min甚至100m/min的快速進(jìn)給和1g的加速度。而在電動(dòng)機(jī)磁路設(shè)計(jì)上也作了改進(jìn)，使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)更加平滑，再配合高速數(shù)字伺服軟件，可使電動(dòng)機(jī)即使在小于1μm轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(gè)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(dòng)器”。以英國(guó)的CT公司的Unidrive產(chǎn)品和德國(guó)AMK公司的AMKASYN產(chǎn)品為代表，使變頻器登上了新的舞臺(tái)。下面以CT公司的Unidrive產(chǎn)品為例，給予簡(jiǎn)單的介紹。

CT公司在1996年推出了通用型驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品。它的控制板主要由Intel80166CPU、快閃存儲(chǔ)器以及3片CT公司設(shè)計(jì)的專用芯片組成，硬件高度集成化，控制板芯片數(shù)量?jī)H為當(dāng)前市場(chǎng)上通用變頻器的1/4。它按功率可分成5個(gè)等級(jí)，其中等級(jí)1(輸出功率為0.75～4kW)為基本單元，等級(jí)5額定功率為120kW(它由基本單元加上擴(kuò)展功率單元組成)，最多可8臺(tái)并聯(lián)，組成1000kW功率輸出。

通用型驅(qū)動(dòng)器配置有大量的參數(shù)和20個(gè)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(chǎng)合。通用型驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)，將大大降低機(jī)床用進(jìn)給系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)的硬件成本。

機(jī)床大功率電主軸的高速化、一體化

當(dāng)前，世界數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢(shì)之一是高速、高效、高精度。從80年代開始，由于數(shù)控機(jī)床的主軸、進(jìn)給系統(tǒng)等功能部件的突破，數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度都大幅度提高，以及制造技術(shù)的全面進(jìn)步，使金屬切削加工進(jìn)入了高速切削的新階段。90年代以來，歐、美、日各國(guó)爭(zhēng)相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，加快機(jī)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(dá)1×105r/min)以上；工作臺(tái)的移動(dòng)速度(進(jìn)給速度)：在分辨率為1μm時(shí),在100m/min(有的到200m/min)以上,在分辨率為0.1μs時(shí)，在24m/min以上。

為了實(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)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(jìn)一步擴(kuò)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(xiàng)高新技術(shù)。超高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)超高速加工的物質(zhì)基礎(chǔ)，而高速主軸單元?jiǎng)t是超高速機(jī)床的“核心”部件，它的性能直接決定了機(jī)床的超高速加工性能。最佳適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)的主軸形式是將主軸電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，形成電主軸，實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸系統(tǒng)的一體化、“零傳動(dòng)”。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，并可改善機(jī)床的動(dòng)平衡，避免振動(dòng)和噪聲，在超高速切削機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用。

電主軸的工作轉(zhuǎn)速極高，這對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和控制提出了非常嚴(yán)格的要求，并帶來了一系列技術(shù)難題，如主軸的散熱、動(dòng)平衡、支承、潤(rùn)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(yùn)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(jī)技術(shù)

電主軸是電動(dòng)機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動(dòng)機(jī)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(tái)高速電動(dòng)機(jī)。關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動(dòng)平衡；

·高速軸承技術(shù)

電主軸通常采用復(fù)合陶瓷滾動(dòng)軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時(shí)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(rùn)滑

電主軸的潤(rùn)滑一般采用定時(shí)定量油氣潤(rùn)滑；也可以采用脂潤(rùn)滑，但相應(yīng)的速度要打折扣。所謂定時(shí)，就是每隔一定的時(shí)間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個(gè)叫定量閥的器件，精確地控制每次潤(rùn)滑油的油量。而油氣潤(rùn)滑，指的是潤(rùn)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(rùn)滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)因油的阻力而<