探析數控系統伺服電機控制

楊春紅

【摘 要】作為數控機床的重要功能部件，伺服系統的特性一直是影響系統加工性能的重要指標。圍繞伺服系統動態特性與靜態特性的提高，近年來發展了多種伺服驅動技術。伺服控制技術是決定交流伺服系統性能好壞的關鍵技術之一，是國外交流伺服技術封鎖的主要部分。伺服系統在加工機械、半導體制造、部件組裝等方面得到了廣泛的應用。隨著中國從制造業大國邁向制造業強國的進程和全數字式交流伺服系統的性能價格比逐步提高，交流（AC）伺服系統作為控制電機類高檔精密部件，其市場需求將穩步增長。

【關鍵詞】數控機床 伺服系統 伺服電機

伺服系統是以機械運動的驅動設備，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。這類系統控制電動機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現運動機械的運動要求。具體在數控機床中，伺服系統接收數控系統發出的位移、速度指令，經變換、放大與調整后，由電動機和機械傳動機構驅動機床坐標軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯動使刀具相對工件產生各種復雜的機械運動，從而加工出用戶所要求的復雜形狀的工件。作為數控機床的執行機構，伺服系統將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發展歷程。

1數控機床伺服系統

（1）開環伺服系統。開環伺服系統即無位置反饋的系統，其驅動元件主要是功率步進電機或電液脈沖馬達。開環系統的結構簡單，易于控制，但精度差，低速不平穩，高速扭矩小。所以開環控制系統多用于精度和速度要求不高的經濟型數控機床。

（2）閉環伺服系統。閉環系統是誤差控制隨動系統。數控機床進給系統的誤差，是CNC輸出的位置指令和機床工作臺（或刀架）實際位置的差值。閉環系統運動執行元件不能反映運動的位置，因此需要有位置檢測裝置。由于閉環伺服系統是反饋控制，反饋測量裝置精度很高，從而大大提高跟隨精度和定位精度。目前閉環系統的分辨率多數為1μm，定位精度可達±0.01mm～±0.005mm；高精度系統分辨率可0.1μm。因此只是用在高精度和大型數控機床上。

（3）半閉環伺服系統。半閉環系統位置檢測元件不直接安裝在進給坐標的最終運動部件上，而是中間經過機械傳動部件的位置轉換，又稱間接測量。半閉環和閉環系統的控制結構是一致的，不同點只是閉環系統環內包括多的機械傳動部件，傳動誤差均可被補償。故半閉環伺服系統在數控機床中應用很廣。

2伺服電機控制性能優越

（1）低頻特性好。步進電機易出現低速時低頻振動現象。交流伺服電機不會出現此現象，運轉非常平穩，交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能，可檢測出機械的共振點，便于系統調整。

（2）控制精度高。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。例如松下全數字式交流伺服電機，對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89″。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。

（3）過載能力強。步進電機不具有過載能力，為了克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩，選型時需要選取額定轉矩比負載轉矩大很多的電機，造成了力矩浪費的現象。而交流伺服電機具有較強的過載能力，例如松下交流伺服系統中的伺服電機的最大轉矩達到額定轉矩的三倍，可用于克服啟動瞬間的慣性力矩。

（4）速度響應快。步進電機從靜止加速到額定轉速需要200～400毫秒。交流伺服系統的速度響應較快，例如松下MSMA 400W交流伺服電機，從靜止加速到其額定轉速僅需幾毫秒。

（5）矩頻特性佳。步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時轉矩會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩。

3交流伺服電動機的發展趨勢

交流伺服系統由于控制原理的先進性，成本低、免維護，并且控制特性正在全面超越直流伺服系統，其勢必將在絕大多數應用領域代替傳統的直流伺服電機。

AC伺服系統當前的發展趨勢：

（1）高效率化 高速、高精、高性能化。盡管這方面的工作早就在進行，但是仍需要繼續加強。主要包括電機本身的高效率，也包括驅動系統的高效率化，采用更高精度的編碼器（每轉百萬脈沖級），更高采樣精度和數據位數、直線電機，以及應用自適應、人工智能等各種現代控制策略，不斷將伺服系統的指標提高。

（2）通用化。通用型驅動器配置有大量的參數和豐富的菜單功能，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，可以驅動不同類型的電機。

（3）智能化?，F代交流伺服驅動器都具備參數記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數進口驅動器都具備負載慣量測定和自動增益調整功能，有的可以自動辨識電機的參數，自動測定編碼器零位，有些則能自動進行振動抑止。

（4）網絡化和模塊化。現代工業局域網發展的重要方向和各種總線標準競爭的焦點就是如何適應高性能運動控制對數據傳輸實時性、可靠性、同步性的要求。隨著國內對大規模分布式控制裝置的需求上升，高檔數控系統的開發成功，網絡化數字伺服的開發已經成為當務之急。模塊化不僅指伺服驅動模塊、電源模塊、再生制動模塊、通訊模塊之間的組合方式，而且指伺服驅動器內部軟件和硬件的模塊化和可重用。

（5）小型化和大型化。無論是永磁無刷伺服電機還是步進電機都積極向更小的尺寸發展，比如20，28，35mm外徑；同時也在發展更大功率和尺寸的機種，已經看到500KW永磁伺服電機的出現。體現了向兩極化發展的傾向。

21世紀是一個嶄新的世紀，也定將是各項科學技術飛速發展的世紀。相信隨著材料技術、電力電子技術、控制理論技術、計算機技術、微電子技術的快速發展以及電機制造工藝水平的逐步提高，同時伴隨著制造業的不斷升級和制造技術的快速發展，必將為加工和制造技術的核心技術之一的伺服驅動技術迎來又一大好的發展時機！

參考文獻：

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