數(shù)控機床中的伺服系統(tǒng)分析

一、概述

　　伺服系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設備，電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。

　　作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動及保護等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現(xiàn)代控制技術的進步，經(jīng)歷了從步進到直流，進而到交流的發(fā)展歷程。數(shù)控機床中的伺服系統(tǒng)種類繁多，本文通過分析其結(jié)構及簡單歸分，對其技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作簡要探討。

　　二、伺服系統(tǒng)的結(jié)構及分類

　　從基本結(jié)構來看，伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器、功率驅(qū)動裝置、反饋裝置和電動機(圖1)。控制器按照數(shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調(diào)節(jié)控制量;功率驅(qū)動裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動機之上，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動機所需的交流電或直流電;電動機則按供電大小拖動機械運轉(zhuǎn)。

　　圖1中的主要成分變化多樣，其中任何部分的變化都可構成不同種類的伺服系統(tǒng)。如根據(jù)驅(qū)動電動機的類型，可將其分為直流伺服和交流伺服;根據(jù)控制器實現(xiàn)方法的不同，可將其分為模擬伺服和數(shù)字伺服;根據(jù)控制器中閉環(huán)的多少，可將其分為開環(huán)控制系統(tǒng)、單環(huán)控制系統(tǒng)、雙環(huán)控制系統(tǒng)和多環(huán)控制系統(tǒng)。考慮伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床中的應用，本文首先按機床中傳動機械的不同將其分為進給伺服與主軸伺服，然后再根據(jù)其他要素來探討不同伺服系統(tǒng)的技術特性。

　　三、進給伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望

　　進給伺服以數(shù)控機床的各坐標為控制對象，產(chǎn)生機床的切削進給運動。為此，要求進給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標軸的運動速度，并能精確地進行位置控制。具體要求其調(diào)速范圍寬、位移精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動機，進給伺服可細分為步進伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。

　　(一)步進伺服系統(tǒng)

　　步進伺服是一種用脈沖信號進行控制，并將脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移的控制系統(tǒng)。其角位移與脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。如果停機后某些繞組仍保持通電狀態(tài)，則系統(tǒng)還具有自鎖能力。步進電動機每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，如500步、1000步、50 000步等等，從理論上講其步距誤差不會累計。

　　步進伺服結(jié)構簡單，符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動速度越低。特別是步進伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床及舊設備改造。但近年發(fā)展起來的恒斬波驅(qū)動、PWM驅(qū)動、微步驅(qū)動、超微步驅(qū)動和混合伺服技術，使得步進電動機的高、低頻特性得到了很大的提高，特別是隨著智能超微步驅(qū)動技術的發(fā)展，將把步進伺服的性能提高到一個新的水平。