交流伺服在数控机床中的应用

交流伺服在数控机床中的应用摘要伺服系统作为数控机床主要组成部分，经历了从步进伺服系统到直流伺服系统再到今天的交流伺服系统的过程。交流伺服系统具有其他几种伺服系统无可比拟的优势。随着交流伺服技术的发展，交流伺服系统将逐渐地全面取代直流伺服系统。关键词数控机床交流伺服系统技术20世纪50年代出现数控机床以来，伺服系统作为数控机床重要组成部分，经历了从步进伺服系统到直流伺服系统再到今天的交流伺服系统的过程。随着交流伺服技术的日益发展，交流伺服系统将逐步全面取代直流伺服系统。数控机床又称为CNC机床，即计算机数字控制机床，是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种机床，一般由输入、输出装置、数控装置、伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组成。数控机床解决了大部分机械零件的自动化加工问题成为最主要的机械加工设备，在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。伺服系统是以驱动装置电机为控制对象，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，它包括伺服驱动器和伺服电机。数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。数控机床的精度和速度等技术指标主要取决于伺服系统。一、数控机床的伺服系统的发展1、数控机床的伺服系统应满足基本要求：1）精度高；2）快速响应特性好；3）调速范围大；4）系统可靠性要好。2、数控机床伺服系统的基本组成及分类数控机床伺服系统是由比较控制环节、驱动控制单元、执行元件和反馈检测元件等组成。数控机床的伺服系统按有无反馈检测元件分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统没有反馈检测元件和比较控制环节，这些是闭环控制系统必须的部分；伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按执行元件的不同分为步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。3、数控机床伺服系统的发展历程1）步进伺服系统20世纪60年代以前，步进伺服系统是以步进电机驱动的液压伺服电动机或是以功率步进电机直接驱动为特征，伺服系统采用开环控制。2）直流伺服系统20世纪60年代后，数控系统大多采用直流伺服系统。直流伺服电机具有良好的宽调速性能。输出转矩大，过载能力强，伺服系统也由开环控制发展为闭环控制，因而在工业及相关领域获得了更加广泛的运用。3）交流伺服系统20世纪80年代以来，随着电力电子等各项技术的发展，特别是现代控制理论的发展，在矢量控制算法方面的突破，原来一直困扰着交流电动机的问题得以解决，交流伺服发展得越来越快。二、国内交流伺服的研究现状及发展趋势交流伺服系统包括异步电动机的交流伺服系统和同步电动机的交流伺服系统。目前机床主要采用的是永磁同步交流伺服系统。在交流伺服研究领域，日本、美国和欧洲的研究一直走在世界前列。日本的安川公司在20世纪80年代中期研制成功世界上第一台交流伺服驱动器。随后FANUC、三菱、松下等公司先后推出各自的交流伺服系统，国外的这些产品大多是基于异步电动机的。国内在基于异步电机交流伺服系统的研究比较晚，到目前为止还没有产品问世。国内很多学者把研究的重点放在永磁同步电机伺服系统上。我国的华中科技大学、北京机床研究所、西安微电动机研究所、中科院沈阳自动化研究所、兰州电动机厂等单位开始研究并推出交流伺服系统。其中，由广州数控公司生产的DA98全数字式交流伺服驱动装置在我国的高精度数控伺服驱动行业已经打开局面，打破了外国公司垄断的格局，开创了民族品牌新纪元。交流伺服的信号和数控系统接口有三种模式，也是它经历的三个阶段。以国内来说，广州数控的DA98属于第一代也是划时代的一种伺服驱动器，它是国内第一台全数字式交流伺服驱动装置，它接受方向命令脉冲。第二代是以埃斯顿为代表的EDB系列，它不仅能够接受脉冲命令信号，还能接受速度控制或是转矩控制的模拟量的输入。第三代是网络化交流伺服系统。网络化伺服系统是工业现场总线技术和全数字化交流伺服的有机结合，全数字化交流伺服技术可以使用户根据负载状况调整参数，也省去了一些模拟回路所产生的漂移等不稳定因素。到目前为止网络化交流伺服器在国内还没有成熟产品。北京航空航天大学机器人研究所开发设计了一种基于DSP+FPGA+ASIPM的网络化交流伺服控制系统，原理样机已在三维雕刻机上得到了初步的验证。目前的伺服器驱动器内部大多采用高速DSP处理器，推进了各种先进的运动控制算法在新型驱动器上的使用。只要为系统配置相应不同的软件（包括控制算法）就可以控制和驱动异步电机、永磁同步伺服电机，这就为数控机床的升级以及革新留下了很多的空间。随着生产力的不断发展，交流伺服系统向着集成化、智能化和网络化的方向发展。1、集成化使用单一、多功能的控制单元，通过软件的设置实现位置控制和速度控制功能。可以使用本身配置的反馈单元构成半闭环或是通过外部接口构成高精度的全闭环控制系统。2、智能化伺服器控制模式的智能化，如在内部预先编程实现某种运动轨迹，控制本站点周边的IO口，内带主从跟随模式调整，电子凸轮等。3、网络化伺服器间实现网络化分布式控制。伺服器实现模块化的可重构，节省成本。三、结束语现代数控机床是朝着精密化和高速化方向发展。作为数控机床主要组成部分的伺服系统，越来越多的选择停留在交流伺服上面，它具有其他几种伺服系统无可比拟的优势。随着交流伺服技术的发展，交流伺