數控系統伺服電機控制技術發展動向

摘要(Abstract)伺服電機控制技術是數控系統的重要組成部分。為滿足現代數控系統技術與市場發展需求，機床數控系統(包括進給控制和主軸控制)中的伺服電機和控制技術在現代電機控制理論、電力電子技術、微處理器技術等相關技術發展促進下也有了很大突破，近年來，數控系統進給控制和主軸控制用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。

關鍵詞(Keywords)交流伺服電機電主軸直線電機直接驅動

現代電機控制理論發展使機床數控伺服系統實現交流化、數字化、智能化機床數控系統中，常用的伺服電機和控制系統有：

開環控制系統

采用步進電機作為驅動器件，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，步進電機可以和現代的數字控制技術相結合。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的閉環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，步進電機可以發揮其結構簡單、可靠性高和成本低的特點。

半閉環和閉環位置控制系統

采用直流伺服電機或交流伺服電機作為驅動部件，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，也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。

70年代，美國GATTYS公司發明了機床用直流力矩伺服電機，從此各國數控機床開始大量采用直流伺服電機驅動。開環系統逐漸由閉環系統取代。以直流伺服電機作為驅動器件的直流伺服系統，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、結構簡單，但早期由于控制性能差，所以很長時間沒有在數控系統上得到應用。隨著電力電子技術和現代電機控制理論的發展，1971年，德國西門子的Blaschke發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，數控機床逐漸采用異步電機為主軸驅動電機。

如果把直流電機結構進行“里翻外”的處理，即把電樞繞組裝在定子，轉子為永磁部分，并以轉子軸上的編碼器測出磁極位置控制電子開關進行電子換相，這就構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，逐漸應用在數控系統的進給驅動裝置上。交流伺服系統采用交流伺服電機作為驅動器件，可以和直流伺服電機一樣構成高精度、高性能的半閉環或全閉環控制系統，由于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，伺服技術取得的突破可以歸結為：交流伺服取代直流伺服、數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。這兩種突破的結果產生了交流數字驅動系統，應用在數控機床的伺服進給和主軸裝置上。由于電力電子技術及控制理論、微處理器等微電子技術的快速發展，軟件運算及處理能力的提高，采用高速微處理器和專用數字信號處理器(DSP-DigitalSignalProcessor)的全數字化交流伺服系統出現后，使系統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為軟件伺服控制，一些現代控制理論中的先進算法得到實現，進而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。這些技術的突破，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。

采用狀態觀察器和卡爾曼濾波器可以進行電動機參數的在線辨識；采用滑模變結構控制可增強電動機控制系統的魯棒性。如能將各種智能控制理論有機地結合起來，必將開創交流伺服控制的新天地。如模糊控制和神經元網絡控制都不需要精確的對象模型和參數，使系統具有很強的魯棒性。

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。普遍采用的霍爾傳感器具有小于1μs的響應時間。交流電動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。隨著它們的轉速、分辨率的不斷提高，系統的動態響應、調速范圍以及低速性能也相應提高。傳統的具有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、高速度的伺服系統的實現。而新型的編碼器則克服了上述缺點，如日本FANUC公司生產的脈沖編碼器(絕對型)，由于它將來自正余弦信號的角度轉化成數字量，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。而在電動機磁路設計上也作了改進，使電動機旋轉更加平滑，再配合高速數字伺服軟件，可使電動機即使在小于1μm轉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的新一代高載波、低噪聲變頻器的開發，以及新的控制軟件的引入，把變頻調速引入了一個全新的領域，使原來僅用于開環控制的變頻器演變成了既能用于開環控制,也能用于閉環控制的稱之為“通用型驅動器”。以英國的CT公司的Unidrive產品和德國AMK公司的AMKASYN產品為代表，使變頻器登上了新的舞臺。下面以CT公司的Unidrive產品為例，給予簡單的介紹。

CT公司在1996年推出了通用型驅動器系列產品。它的控制板主要由Intel80166CPU、快閃存儲器以及3片CT公司設計的專用芯片組成，硬件高度集成化，控制板芯片數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，組成1000kW功率輸出。

通用型驅動器配置有大量的參數和20個菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下,方便地設置成V/F控制、無速度傳感器開環矢量控制、閉環磁通矢量控制、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。通用型驅動器的出現，將大大降低機床用進給系統和主軸系統的硬件成本。

機床大功率電主軸的高速化、一體化

當前，世界數控技術及其裝備發展趨勢之一是高速、高效、高精度。從80年代開始，由于數控機床的主軸、進給系統等功能部件的突破，數控機床的主軸轉速和進給速度都大幅度提高，以及制造技術的全面進步，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、日各國爭相開發應用新一代高速數控機床，加快機床高速化發展步伐。高速電主軸單元轉數在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/減速度直線電機驅動進給部件以及高性能控制系統得到了快速的發展，應用領域進一步擴大。

超高速加工是繼數控技術之后，使制造技術產生第二次革命性飛躍的一項高新技術。超高速機床是實現超高速加工的物質基礎，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。最佳適合高速運轉的主軸形式是將主軸電機的定子、轉子直接裝入主軸組件的內部，形成電主軸，實現機床主軸系統的一體化、“零傳動”。電主軸具有結構緊湊、重量輕、慣性小、動態特性好等優點，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用。

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

電主軸一體化所融合的技術包括：

·高速電機技術

電主軸是電動機與主軸融合在一起的產物，電動機的轉子即為主軸的旋轉部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電動機。關鍵技術是高速度下的動平衡；

·高速軸承技術

電主軸通常采用復合陶瓷滾動軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統軸承的幾倍；有時也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內外圈不接觸，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，在軸承高速旋轉時會因油的阻力而<