数控机床中的伺服系统.docx

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1、数控机床中的伺服系统xueh,2008-06-27 16:13:57、概述伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控 制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动 机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和 机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而 加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制

2、、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机 材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类 繁多，本文通过分析其结构及简单归分，对其技术现状及发展趋势作简要探讨。二、伺服系统的结构及分类从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机（图1）。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上， 调节电动机转矩的大小， 另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所 需的交流

3、电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。图1伺服系统的结构图1中的主要成分变化多样， 其中任何部分的变化都可构成不同种类的伺服系统。如根据驱动电动机的类型， 可将其分为直流伺服和交流伺服；根据控制器实现方法的不同，可将其分为模拟伺服和数字伺服；根据控制器中闭环的多少，可将其分为 开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。考虑伺服系统在数控机床中的应用，本文首先按机床中传动 机械的不同将其分为进给伺服与主轴伺服，然后再根据其他要素来探讨不同伺服系统的技术特性。三、进给伺服系统的现状与展望进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。为此，要求进给伺服能快速调节坐

4、标轴的运动速度， 并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机，进给伺 服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。（一）步进伺服系统步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力。步 进电动机每转一周都有固定的步数，如500步、1000步、50 000步等等，从理论上讲其步距误差不会累计。步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大

5、移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM区动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高，特别是随着智能超微步驱动技 术的发展，将把步进伺服的性能提高到一个新的水平。（二）直流伺服系统直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单输出的单 变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制

6、简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动 中曾占据着主导地位。然而，从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影 响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上， 使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。（三）交流伺服系统针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测 出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服

7、特性。其宽调速 范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同 时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用 途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模 拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的 全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软

8、件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟， 将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。四）直线伺服系统 直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式（ Direct Drive ）,与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电动机

9、到工作 台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种"零传动”方式，带来了旋转驱动方式无法达到 的性能指标，如加速度可达 3g以上，为传统驱动装置的 1020倍，进给速度是传统的 45倍。从电动机的工作原理来讲， 直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆 筒型等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度高频响小行程直线电动机与大推力长行程高精度直线电动机两类。直线伺服是高速高精数控机床的理想驱动模式，受到机床厂家的重视，技术发展迅速。在2001年欧洲机床展上，有几十家公司展出直线电动机驱动的高速机

10、床，快移速度达100120m/min，加速度1.52g,其中尤以德国 DM安司与日本 MAZAK公司最具代表性。2000年DM依司已有28种机型采用直线电动机驱动，年产 1500多台，约占总产量的1/3。而MAZA咬司 最近也将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切削速度8马赫，主轴最高转速 80000r/min，快移速度500m/min,力口速度6g。所有这些，都标志着以直线电动机驱动为代表的第二代高速机床，将取代以高速滚珠丝杠驱动为代表的第一代高 速机床，并在使用中逐步占据主导地位。四、主轴伺服系统的现状及展望主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。但

11、当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。与进给伺服一样，主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。（一）交流异步伺服系统交流异步伺服通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流， 该正弦电流产生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，从而实现电动机的旋转。其中，正弦电流的幅值可分解为给定或可调的励磁 电流与等效转子力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解

12、为转子转速与转差之和，以实现矢量化控制。交流异步伺服通常有模拟式、数字式两种方式。与模拟式相比，数字式伺服加速特性近似直线，时间短，且可提高主轴定位 控制时系统的刚性和精度，操作方便，是机床主轴驱动采用的主要形式。然而交流异步伺服存在两个主要问题：一是转子发 热，效率较低，转矩密度较小，体积较大；二是功率因数较低，因此，要获得较宽的恒功率调速范围，要求较大的逆变器容（二）交流同步伺服系统近年来，随着高能低价永磁体的开发和性能的不断提高，使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系统的性能日益突出，为解决交流异步伺服存在的问题带来了希望。与采用矢量控制的异步伺服相比，永磁同步电动机转子温度低，轴向

13、连接位置精度高，要求的冷却条件不高，对机床环境的温度影响小，容易达到极小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒转矩运 行，特别适合强力切削加工。同时其转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性好，特别适合高生产率运行。较容易达到很高 的调速比，允许同一机床主轴具有多种加工能力，既可以加工像铝一样的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，为机床 进行最优切削创造了条件。（三）电主轴电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，它将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，电动机的转子即为主轴的旋转部分，由于取消了齿轮变速箱的传动与电动机的连接，实现了主轴系统的一体化、“零传动”。因此，其具有结构 紧凑、重量

14、轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的 应用。从理论上讲，电主轴为一台高速电动机，其既可使用异步交流感应电动机，也可使用永磁同步电动机。电主轴的驱动一般使 用矢量控制的变频技术，通常内置一脉冲编码器，来实现厢位控制及与进给的准确配合。由于电主轴的工作转速极高，对其 散热、动平衡、润滑等提出了特殊的要求。在应用中必须妥善解决，才能确保电主轴高速运转和精密加工。五、结论作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见随着超高速切削、超精

15、密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网 络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。Sxueh,2008-06-27 16:17:27国内广泛采用的通用伺服品牌有：日系：三菱、安川、松下、三洋、富士、日立等。欧系：Lenze、AMK Rexroth、KEB等 欧洲的还应该有 SEW美国的ABB德州仪器美系：Danaher (原 Kollmogen )、Baldor、Parker、Rockwell 等数控和高端运控伺服品牌：Siemens、Fanuc、三菱、Rexroth 等国货通用伺服：台达、东兀、和利时、埃斯顿等国货数控伺服

16、：华中、广数、大森、凯奇等国货伺服电机华大、登奇、强磁、博孚等目前通用伺服主要是日系厂家自己在拼，日系总体份额很大，估计不低于80%。此外，台资和内资新秀们也在积极抢占市场，并有渐成气候之势。 欧系和美系产品性能明显由于日系，但价格也很高，多不是国内产业界用得起的。数控伺服情况与数控系统状况相当，Siemens和Fanuc当道，三菱次之。xueh,2008-06-27 16:19:361、伺服电机和步进电机的性能比较步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于

17、数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。一、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为1.8 °、0.9。，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36 °。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如山洋公司（SANYO DENKI生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9 °、0.72 °、0.36 

18、6;、0.18 °、0.09 °、0.072 °、0.036 ° ,兼容了两相和五相混合式步进电机的步距 角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以山洋全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360° /8000=0.045 ° o对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360° /131072=0.0027466。，是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。 本文来自：二、低

19、频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT）,可检测出机械的共振点，便于系统调整。三、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300

20、600RPM交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RP域3000RPM以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。四、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以山洋交流伺服系统为例， 它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出 现了力矩浪费的现象。本文来自:五、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停

21、止时转速过高易出现过冲的现象， 所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行 采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。六、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以山洋400阪流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPMZ需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考

22、虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。2、伺服电机的选型计算方法注意三点：转数山洋公司根据客户实际要求，对于同等功率的电机可以选配不同转数的电机，一般来说，转数越低, 价格越便宜。扭矩必须满足实际需要，但是不需要像步进电机那样留有过多的余量。机电专业技术论坛惯量根据现场要求选用不同惯量的电机，如机床行业一般选用p1系列大惯量的伺服电机。VIxueh,2008-06-27 16:22:31自动控制系统不仅在理论上飞速发展，在其应用器件上也日新月异。模块化、数字化、高精度、长寿命的器件每隔35年就有更新换代的产品面市。传统的交流伺服电机特性软，并且其输出特性不是单值的；步进电机一般为

23、开环控制而无法准确定位，电动机本身还有速度谐振区，pwm调速系统对位置跟踪性能较差，变频调速较简单但精度有时不够，直流电机伺服系统以其优良的性能被广泛的应用于位置随动系统中，但其也有缺点，例如结构复杂，在超低速时死区矛盾突出，并且换向刷 会带来噪声和维护保养问题。目前，新型的永磁交流伺服电机发展迅速，尤其是从方波控制发展到正弦波控制后，系统性能 更好，它调速范围宽，尤其是低速性能优越。交直流伺服电机系统下面从功率驱动、性能、保护电路等方面，叙述其和直流伺服电机系统的不同特点。功率驱动对于在雷达上经常使用的直流伺服系统的驱动电动机功率放大部分，当天线重量轻，转速慢，驱动功率较小时，一般为 几十瓦

24、，可以直接用直流电源控制电动机。当驱动功率要求在近千瓦或千瓦以上时，选择驱动方案，也即放大直流电动机的 电枢电流，就是设计伺服系统的重要部分。大功率直流电源目前采用较多的有：晶体管功放、晶闸管功放和电机放大机等等。 对于千瓦级的晶体管功放使用的较少。可控硅技术在上世纪6070年代初得到快速的发展和广泛的应用，但因当时的各方面原因，如可靠性等，不少产品放弃了可控硅控制。目前的集成驱动模块一般都为晶体管或晶闸管制造。电机放大机是传统 的直流伺服电机的功放装置，因其控制简单，结实耐用，目前的新型号的雷达产品上仍有采用。下面主要以放大电机为例， 和交流伺服电机比较其优缺点。放大电机常称为扩大机， 一般

25、是用交流异步感应电动机拖动串联的两级直流发电机组，以此来实现直流控制。两组控制绕组，每组的输入阻抗为几千欧，若串接使用输入阻抗约10千欧，一般为互补平衡对称输入，当系统输入不为零时打破其平衡，使放大电机有输出信号。当输入电流为十几到几十毫安时其输出可达100v以上的直流电压和几安到几十安的电流，直接接到直流伺服电机的电枢绕组上。其主要缺点是体积重量大，非线性度，尤其在零点附近不是很好，这对于要求高的系 统需要仔细处理。而交流伺服电机都配有专门的驱动器，它在体积和重量上远小于同功率的放大电机，它靠内部的晶体管或晶闸管组成的开关电路，根据伺服电机内的光电编码器或霍尔器件判断转子当时的位置，决定驱动

26、电机的a、b、c三相应输出的状态，因此它的效率和平稳性都很好。所以不像控制放大电机需要做专门的功放电路。这种电机一般都为永磁式的，驱动器产生的a、b、c三相变化的电流控制电机转动，因此称为交流伺服电机；驱动器输入的控制信号可以是脉冲串，也可以是直流电压信号（一般为土 10v）,所以也有将其称为直流无刷电动机。两种电机的简单试验比较对两种电机作过简单的试验比较：只要将系统原先的直流误差信号直接接入交流伺服驱动器的模拟控制输入端，用交流电机放大机和直流伺服电机， 而控制部分和测角元件等均不变，简单比较两种伺服电机和它的驱动器代替原先的差分功放、 方案的输出特性。原先的直流伺服电机，额定电压为100

27、v，额定转速为3000r/min，空载启动电压为 2v,空载时，当其输入电压为1 v电机不转，输入电压为22.5v时，眼睛可观察到电机转速不匀， 这是因为碳刷、油封等以及力矩角引起的不可避免的现象。 而交流伺服电机因为无碳刷使其摩擦力小，还因为霍尔器件的存在而使其电磁力始终垂直于旋转半径（这既是所谓的正弦控制），从而其低速性能明显优于前者。当时将其转速放在很低，用肉眼很难分辨电机的转动，只能通过它自己的软件界面观 察指示的电枢位置在转动， 也观察不到爬行现象发生， 用手也感觉不到有特性软的现象， 原先直流系统低速要求为 0.1 ° /s , 若用交流电机估计低速至少可到 0.01 &

28、#176; /s o采用交流伺服系统，是对低速性能要求高的系统最为简单可行的方法。交流伺服电机的输出特性画法也和直流伺服电机完全不同，它不是负斜率的一组直线，而是几乎画成矩形。这也说明了输出特性硬，速度范围宽。安全保护较大天线伺服系统的保护应是一个重要的设计环节，因为一旦失控，可能引起重大的设备损坏或人身事故。国外有些雷达在这方面有十种左右的保护措施，如某些系统的门打开后将使伺服电机不能启动等。过流过载保护电路的敏感元件最好设计在靠近电机的直接控制部分，但这里的电流很大，使设计有一定的困难。 常用的熔断器、热继电器等器件，往往因其升温到动作完成须有一定的时间，使其对瞬间就损坏设备的故障不能起到

29、保护作用。例 如曾经因某型号雷达跟随器的运放失效而使电容充电时间加长，平常还不容易发现此类故障，从而使测角元件双通道电感移相器的粗精纠错部分出错，因此输出的天线角度值叠加了一个粗大误差，（粗精比为1:32，粗大误差为11。15'）并反复出现，称之为“跳大点”。因系统的开环增益在两千倍以上，当随动系统判断到这个大失调角时，以最大的加速度达到最大 的速度，去追赶这个失调角，从而使电机高速旋转时突然判断反转，这不但很容易引起永磁电机退磁使性能降低，当时还使 减速机彻底损坏，但是这时熔断器、热继电器等无一动作。现在采用数字计算机可以较容易的判断这类现象，但因干扰、通 讯等原因，不能将此类宝完全

30、押在计算机上。而交流伺服电机，数据处理芯片安装在驱动器内，驱动器的i/o 口都经过光耦隔离，因此可靠性好；并有许多现成可用的功能方便使用，如力矩电流限制，速度限制，加速度限制等等。直流电机的额定过载线，如果不外接专门的限制断路器件，则额定线仅仅是在图上画出的，传递函数中并无此饱和线， 顶多也就是超过此线后线性度可能有所降低。而交流电机的额定过载线却是实实在在的存在，一旦超过此线则系统立即停止。因此，一来可靠的保护了系统不会损坏，二来设计时要注意这个区别，尤其是不能随便停机的系统，电机的功率要有足够的 余量。控制方法采用交流伺服电机，可以使控制部分的设计简单，也可以容易的代替原先系统的驱动电机部

31、分。系统构成典型的方法是：上位机如pc机、plc、嵌入机等；随动系统中主要用于调试系统，以及完成系统通讯，信号采集等其他任务，控制任务 可以放在上位机内，也可放在控制器中；多轴控制器，一般可控制2至8个轴，可构成方位、俯仰、横滚等轴的控制，对于单轴控制，常使用带控制器的驱动器， 可省去这一项；驱动器，多为专用的，和电机配套出售电动机。总之，采用这种方案，可以省去许多硬件电路和软件计算编程工作，实现模块化，提高了可靠性和可维修性。各种型号的控制器都有各自的语言，也可以用visual basic 等熟悉的环境来编制用户程序。设计有各种各样的软件模块以方便使用。如控制模式:pid调节、直线及圆弧插补、电子齿轮、比例转换、前馈控制、再生电阻等等，鲁棒性能好。它们多数是为像生产线或数控机床这样的程序控制系统而设计的。对于位置跟踪的随动系统，虽然许多功能用不上，但也可以模拟输入功能或力矩控制模式， 方便的将驱动器和电机插入原有的伺服系统，代替直流伺服电机，也可以直接用数字信号，采用点动模式工作。这种电机系统一般都带有几个滤波器，包括相位滞后补偿滤波器、速度反馈滤波器和陷波滤波器，用于 伺服调节时使用。有些型号电机的滤波器需要可选的硬件支持。