一、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CONTROL ENGINEERING China版权所有,伺服系统将电力电子器件、控制、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
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驱动、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控制工程网版权所有,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控制工程网版权所有,因此,直流伺服系统控制简单,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,故障多控制工程网版权所有,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www.cechina.cn,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