摘要：作為數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，伺服系統(tǒng)的特性一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標(biāo)。數(shù)據(jù)機(jī)床伺服控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它是以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床主機(jī)的聯(lián)系環(huán)節(jié)，數(shù)控機(jī)床的精度和速度指標(biāo)等往往由伺服系統(tǒng)決定。伺服系統(tǒng)經(jīng)歷了從步進(jìn)伺服到直流伺服進(jìn)而到交流伺服的發(fā)展過程。因此，研究高性能的伺服系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1前言

    20世紀(jì)50年代數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價(jià)格昂貴不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件、要求精密復(fù)制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗(yàn)的零件。數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。作為數(shù)控機(jī)床重要組成部分的伺服系統(tǒng)，隨著新材料、電子電力、控制理論等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了從步進(jìn)伺服系統(tǒng)到直流伺服系統(tǒng)再到今天的交流伺服系統(tǒng)的過程。交流伺服技術(shù)的日益發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)將逐步全面取代直流伺服系統(tǒng)。

    數(shù)控（NumericalControl）是數(shù)控技術(shù)的簡稱。它是利用數(shù)字化的信息對機(jī)床及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要部分，它隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)都是由計(jì)算機(jī)完成以前硬件數(shù)控所做的工作，為特別強(qiáng)調(diào)，有時(shí)也稱為計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制CNC（ComputerNumericalControl）系統(tǒng)是以微處理器技術(shù)為特征,并隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、通訊技術(shù)以及精密測量技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展完善的一種先進(jìn)加工制造系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)框圖見圖1所示，它由數(shù)控程序、輸入輸出設(shè)備、操作面板、CNC裝備、可編程控制器（PLC）、主軸伺服系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、檢測裝備和一些電氣輔助裝置等組成。

    伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，電動(dòng)機(jī)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(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。具體在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指令，經(jīng)變換、放調(diào)與整大后，由電動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)軸、主軸等，帶動(dòng)工作臺及刀架，通過軸的聯(lián)動(dòng)使刀具相對工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而加工出用戶所要求的復(fù)雜形狀的工件。作為數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流，進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。數(shù)控機(jī)床中的伺服系統(tǒng)種類繁多，本文通過分析其結(jié)構(gòu)及簡單歸分，對其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作簡要探討。

    伺服系統(tǒng)是以驅(qū)動(dòng)裝置—電機(jī)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(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的指令信號，驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件跟隨指令脈沖運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速和準(zhǔn)確，這就要求高質(zhì)量的速度和位置伺服。數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)往往主要取決于伺服系統(tǒng)。

2數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的要求和分類

2.1數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的要求

    數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)應(yīng)滿足以下基本要求：

2.1.1精度高

    數(shù)控機(jī)床不可能像傳統(tǒng)機(jī)床那樣用手動(dòng)操作來調(diào)整和補(bǔ)償各種誤差，因此它要求很高的定位精度和重復(fù)定位精度。

2.1.2快速響應(yīng)特性好

    快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一。它要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號不僅跟隨誤差小，而且響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。在系統(tǒng)給定輸入后，能在短暫的調(diào)節(jié)之后達(dá)到新的平衡或是受到外界干擾作用下能迅速恢復(fù)原來的平衡狀態(tài)。

2.1.3調(diào)速范圍大

    由于工件材料、刀具以及加工要求不同，要保證數(shù)控機(jī)床在任何情況下都能得到最佳的切削條件，伺服系統(tǒng)就必須有足夠的調(diào)速范圍，既能滿足高速加工要求，又能滿足低速進(jìn)給要求。調(diào)速范圍一般大于1:10000。而且在低速切削時(shí)，還要求有較大穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩輸出。

2.1.4系統(tǒng)可靠性要好

    數(shù)控機(jī)床的使用率要求很高，常常是24小時(shí)連續(xù)工作不能停機(jī)，因而要求工作可靠。

    數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的基本組成如圖2所示。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按有無反饋檢測元件分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)控制單元是將進(jìn)給指令轉(zhuǎn)化為執(zhí)行元件所需要的信號，執(zhí)行元件將該信號轉(zhuǎn)為機(jī)械位移。開環(huán)控制系統(tǒng)沒有反饋檢測元件和比較控制環(huán)節(jié)，這些是閉環(huán)控制系統(tǒng)必須的部分。

2.2伺服系統(tǒng)分類

    伺服系統(tǒng)按用途和功能分為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。按有無反饋檢測元件分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。按執(zhí)行元件的不同，分為步進(jìn)伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。

2.2.1步進(jìn)伺服系統(tǒng)

    在20世紀(jì)60年代以前，步進(jìn)伺服系統(tǒng)是以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓伺服電動(dòng)機(jī)或是以功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)為特征，伺服系統(tǒng)采用開環(huán)控制。

    步進(jìn)伺服系統(tǒng)接受脈沖信號，它的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)過的角度取決于指令脈沖的頻率或個(gè)數(shù)。由于沒有檢測和反饋環(huán)節(jié)，步進(jìn)電機(jī)的精度取決于步距角的精度，齒輪傳動(dòng)間隙等，所以它的精度較低。而且步進(jìn)電機(jī)在低頻時(shí)易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，它的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降。又由于步進(jìn)伺服系統(tǒng)為開環(huán)控制，步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大時(shí)易出現(xiàn)“丟步”或“堵轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高容易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。另外步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要的時(shí)間也較長，速度響應(yīng)較慢。但是由于其結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，工作可靠，價(jià)格較低的特點(diǎn)，在許多要求不高的場合還是可以應(yīng)用的。

2.2.2直流伺服系統(tǒng)

    60～70年代后，數(shù)控系統(tǒng)大多采用直流伺服系統(tǒng)。直流伺服電機(jī)具有良好的寬調(diào)速性能。輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，伺服系統(tǒng)也由開環(huán)控制發(fā)展為閉環(huán)控制，因而在工業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域獲得了更加廣泛的運(yùn)用。但是，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，其相應(yīng)設(shè)備如精密數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等對電伺服系統(tǒng)提出越來越高的要求，尤其是精度、可靠性等性能。而傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)采用的是機(jī)械式換向器，在應(yīng)用過程中面臨很多問題，如電刷和換向器易磨損，維護(hù)工作量大，成本高;換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，使電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速及應(yīng)用環(huán)境受到限制;直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、對其他設(shè)備易產(chǎn)生干擾。

    這些問題的存在，限制了直流伺服系統(tǒng)在高精度、高性能要求伺服驅(qū)動(dòng)場合的應(yīng)用。

2.2.3交流伺服系統(tǒng)

    針對直流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)，人們一直在努力尋求以交流伺服電動(dòng)機(jī)取代具有機(jī)械換向器和電刷的直流伺服電動(dòng)機(jī)的方法，以滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是高精度、高性能伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的需要。但是由于交流電機(jī)具有強(qiáng)耦合，非線性的特性，控制非常復(fù)雜，所以高性能運(yùn)用一直受到局限。自80年代以來，隨著電子電力等各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，在矢量控制算法方面的突破，原來一直困擾著交流電動(dòng)機(jī)的問題得以解決，交流伺服發(fā)展地越來越快。

交流伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)

    交流伺服系統(tǒng)除了具有穩(wěn)定性好、快速性好、精度高的特點(diǎn)外，與直流伺服電機(jī)系統(tǒng)相比有一系列優(yōu)點(diǎn):

    交流電機(jī)不存在換向器圓周調(diào)速限制，也不存在電樞元件中電抗電勢數(shù)值限制，其轉(zhuǎn)速限制可以設(shè)計(jì)得比相同功率的直流電機(jī)高。

    調(diào)速范圍寬，目前大多數(shù)的交流伺服電機(jī)的變速比可以達(dá)到1:5000，高性能的伺服電機(jī)的變速比已達(dá)1:10000以上。滿足數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)調(diào)速范圍寬、靜差率小的要求。

    矩頻特性好，交流電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。并且具有轉(zhuǎn)矩過載能力，可克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。滿足機(jī)床伺服系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)相應(yīng)好、定位精度高的要求。

3數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的發(fā)展

3.1國內(nèi)交流伺服的研究現(xiàn)狀

    交流伺服系統(tǒng)包括基于異步電動(dòng)機(jī)的交流伺服系統(tǒng)和基于同步電動(dòng)機(jī)的交流伺服系統(tǒng)。目前機(jī)床主要采用的是永磁同步交流伺服系統(tǒng)。在交流伺服研究領(lǐng)域，日本、美國和歐洲的研究一直走在世界前列。日本的安川公司在20世紀(jì)80年代中期研制成功世界上第一臺交流伺服驅(qū)動(dòng)器。隨后FANUC、三菱、松下等公司先后推出各自的交流伺服系統(tǒng)，國外的這些產(chǎn)品大多是基于異步電動(dòng)機(jī)的。國內(nèi)在基于異步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)的研究比較晚，到目前為止還沒有產(chǎn)品問世。國內(nèi)很多學(xué)者把研究的重點(diǎn)放在永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)上。我國的華中科技大學(xué)、北京機(jī)床研究所、西安微電動(dòng)機(jī)研究所、中科院沈陽自動(dòng)化研究所、蘭州電動(dòng)機(jī)廠等單位開始研究并推出交流伺服系統(tǒng)。其中，由廣州數(shù)控公司生產(chǎn)的DA98全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置在我國的高精度數(shù)控伺服驅(qū)動(dòng)行業(yè)已經(jīng)打開局面，打破了外國公司壟斷的格局，開創(chuàng)了民族品牌新紀(jì)元。

    交流伺服的信號和數(shù)控系統(tǒng)接口有三種模式，也是它經(jīng)歷的三個(gè)階段。以國內(nèi)來說，廣州數(shù)控的DA98屬于第一代也是劃時(shí)代的一種伺服驅(qū)動(dòng)器，它是國內(nèi)第一臺全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置，它接受方向命令脈沖。第二代是以埃斯頓為代表的EDB系列，它不僅能夠接受脈沖命令信號，還能接受速度控制或是轉(zhuǎn)矩控制的模擬量的輸入。第三代是網(wǎng)絡(luò)化交流伺服系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)化伺服系統(tǒng)是工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)和全數(shù)字化交流伺服的有機(jī)結(jié)合，全數(shù)字化交流伺服技術(shù)可以使用戶根據(jù)負(fù)載狀況調(diào)整參數(shù)，也省去了一些模擬回路所產(chǎn)生的漂移等不穩(wěn)定因素。采用基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，將微處理器和現(xiàn)場總線接口置入全數(shù)字型交流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器，形成智能型獨(dú)立的全數(shù)字伺服控制單元，將其直接連接到工業(yè)現(xiàn)場總線上，就形成了新型的基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。減少了硬件數(shù)量和連線，各智能單元結(jié)構(gòu)上獨(dú)立自主，可與外界以及相互間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，而且可以加掛其它現(xiàn)場控制設(shè)備，易于擴(kuò)展。到目前為止網(wǎng)絡(luò)化交流伺服器在國內(nèi)還沒有成熟產(chǎn)品。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)設(shè)計(jì)了一種基于DSP＋FPGA+ASIPM的網(wǎng)絡(luò)化交流伺服控制系統(tǒng)，原理樣機(jī)已在三維雕刻機(jī)上得到了初步的驗(yàn)證。

    目前的伺服器驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部大多采用高速DSP處理器，推進(jìn)了各種先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制算法在新型驅(qū)動(dòng)器上的使用。在硬件結(jié)構(gòu)上各大伺服系統(tǒng)供應(yīng)商大多采用DSP+CPLD（FPGA）結(jié)構(gòu)，由于DSP和CPLD（FPGA）的可重復(fù)編程性，可以實(shí)現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)的模塊化可重構(gòu)。只要為系統(tǒng)配置相應(yīng)不同的軟件（包括控制算法）就可以控制和驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)、永磁同步伺服電機(jī)、無刷直流電機(jī)，而通過對FPGA的重新配置還可以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和三相感應(yīng)式高壓步進(jìn)電機(jī)。這就為數(shù)控機(jī)床的升級以及革新留下了很多的空間。

3.2交流伺服的發(fā)展趨勢

    隨著生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)向著集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。

3.2.1集成化

    使用單一、多功能的控制單元，通過軟件的設(shè)置實(shí)現(xiàn)位置控制和速度控制功能?？梢允褂帽旧砼渲玫姆答亞卧獦?gòu)成半閉環(huán)或是通過外部接口構(gòu)成高精度的全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3.2.2智能化

    伺服器控制模式的智能化，如在內(nèi)部預(yù)先編程實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)動(dòng)軌跡，控制本站點(diǎn)周邊的IO口，內(nèi)帶主從跟隨模式調(diào)整，電子凸輪等。

3.2.3網(wǎng)絡(luò)化

    伺服器間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化分布式控制。伺服器實(shí)現(xiàn)模塊化的可重構(gòu)，節(jié)省成本。

4結(jié)論

    現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是朝著精密化和高速化方向發(fā)展。作為數(shù)控機(jī)床主要組成部分的伺服系統(tǒng)，越來越多的選擇停留在交流伺服上面，它具有其他幾種伺服系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢。隨著交流伺服技術(shù)的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)將逐漸地全面取代直流伺服系統(tǒng)。