近年來，伺服電機(jī)控制技術(shù)正朝著交流、數(shù)字、智能三個(gè)方向發(fā)展。伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，集電力電子設(shè)備、控制、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體，經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流再到交流的發(fā)展過程。本文簡(jiǎn)要探討了其技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。 1.數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)

(一)開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有檢測(cè)反饋裝置，不構(gòu)成運(yùn)動(dòng)反饋控制電路，電機(jī)根據(jù)數(shù)控裝置的指令脈沖工作，運(yùn)動(dòng)誤差無檢測(cè)反饋和處理校正過程，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置，機(jī)床的位置精度完全取決于步進(jìn)電機(jī)的步距角精度和機(jī)械部件的傳動(dòng)精度，難以滿足較高的精度要求。步進(jìn)電機(jī)的速度不可能很高，運(yùn)動(dòng)部件的速度有限。但步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低，控制電路簡(jiǎn)單。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)主要用于精度和速度要求較低的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。 (二)全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和直線位移測(cè)量裝置組成。采用直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，檢測(cè)和反饋機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)量。高精度全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)可以直接安裝在工作臺(tái)上的光柵或感應(yīng)同步器作為位置檢測(cè)裝置。移動(dòng)部件安裝了系統(tǒng)的直線位移檢測(cè)器，其精度主要取決于位移檢測(cè)裝置的精度和靈敏度，其加工精度較高。但機(jī)械傳動(dòng)裝置的剛度、摩擦阻尼特性、反向間隙等非線性因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大影響，使得閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的安裝調(diào)試更加復(fù)雜。因此，它只用于高精度和大型數(shù)控機(jī)床。 (三)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理與全閉環(huán)伺服系統(tǒng)相同。伺服電機(jī)也用作驅(qū)動(dòng)部件。電機(jī)內(nèi)部可采用脈沖編碼器，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器或速度測(cè)量發(fā)電機(jī)為位置/ 速度檢測(cè)裝置構(gòu)成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，其反饋信號(hào)來自電機(jī)軸或螺桿，進(jìn)給系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)裝置在反饋電路外，其剛度等非線性因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性無影響，安裝調(diào)試方便。機(jī)床的定位精度與機(jī)械傳動(dòng)裝置的精度有關(guān)，數(shù)控裝置具有螺距誤差補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償功能。當(dāng)傳動(dòng)裝置精度不太高時(shí)，可以利用補(bǔ)償功能將加工精度提高到滿意度。機(jī)床的定位精度與機(jī)械傳動(dòng)裝置的精度有關(guān)，數(shù)控裝置具有螺距誤差補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償功能。當(dāng)傳動(dòng)裝置精度不太高時(shí)，可以利用補(bǔ)償功能將加工精度提高到滿意度。因此，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床中。 二、伺服電機(jī)控制性能優(yōu)越 （一）低頻特性好。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)容易出現(xiàn)低頻振動(dòng)。交流伺服電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，運(yùn)行非常穩(wěn)定。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械剛度不足，系統(tǒng)具有頻率分析功能，可檢測(cè)機(jī)械共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。 (二)控制精度高。電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證了交流伺服電機(jī)的控制精度。例如，對(duì)于帶有17位編碼器的電機(jī)，松下全數(shù)字交流伺服電機(jī)每接收217位驅(qū)動(dòng)器=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量的1/655。 （三）過載能力強(qiáng)。步進(jìn)電機(jī)沒有過載能力。為了克服啟動(dòng)時(shí)慣性負(fù)載的慣性扭矩，需要選擇額定扭矩大于負(fù)載扭矩的電機(jī)，造成扭矩浪費(fèi)。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。例如，松下交流伺服系統(tǒng)中伺服電機(jī)的較大轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服啟動(dòng)時(shí)的慣性轉(zhuǎn)矩。 （四）速度響應(yīng)快。從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速步進(jìn)電機(jī)需要200~400毫秒。松下等交流伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度快M A 400W從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速，交流伺服電機(jī)只需幾毫秒。 (五)矩頻特性好。步進(jìn)電機(jī)的輸出扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增加而下降，轉(zhuǎn)速較高時(shí)扭矩會(huì)急劇下降，因此其較高工作速度一般為300~600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即其額定轉(zhuǎn)速(一般為2萬RPM或3000RPM）額定扭矩可以在其中輸出。 三、伺服電機(jī)控制展望

(一)伺服電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了加工技術(shù)的快速高精度。自20世紀(jì)80年代以來，伺服電機(jī)逐漸應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。交流伺服電機(jī)為無刷結(jié)構(gòu)，幾乎無需維修，體積相對(duì)較小，有利于提高速度和功率。目前，直流伺服系統(tǒng)已在很大程度上取代了直流伺服系統(tǒng)。交流伺服取代直流伺服，軟件控制取代硬件控制，已成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)伺服技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。由此產(chǎn)生了應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給和主軸裝置的交流數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。隨著微處理器和全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算速度大大提高，采樣時(shí)間大大降低。軟件伺服控制后，硬件伺服控制大大提高了伺服系統(tǒng)的性能。例如OSP-U10/U100網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)的伺服控制環(huán)是一種高性能的伺服控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了自主控制的伺服裝置和部件的分散配置，網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)一步發(fā)揮了機(jī)床的控制能力和通信速度。這些技術(shù)的發(fā)展大大促進(jìn)了伺服系統(tǒng)性能、可靠性、調(diào)試方便、靈活性的發(fā)展。 此外，先進(jìn)傳感器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展也大大提高了交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和定位精度。交流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一般采用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器、混合光電編碼器和絕對(duì)值編碼器作為位置和速度傳感器，其傳感器小于1μs響應(yīng)時(shí)間。伺服電機(jī)本身也在向高速方向發(fā)展，與上述高速編碼器合作實(shí)現(xiàn) 60m/min甚至100m/min快速進(jìn)給和1g的加速度。為了保證電機(jī)在高速時(shí)旋轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，改進(jìn)了電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)，并配合高速數(shù)字伺服軟件，即使電機(jī)小于1μm在沒有爬行的情況下，旋轉(zhuǎn)也顯得平滑。 (二)交流直線伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給技術(shù)已成熟。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)包括旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+精密高速滾珠絲杠和直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 兩種類型。傳統(tǒng)的滾珠絲杠工藝成熟，加工精度高，實(shí)現(xiàn)高速化的成本相對(duì)較低，因此得到了廣泛的應(yīng)用。由球絲杠驅(qū)動(dòng)的高速加工機(jī)床較大移動(dòng)速度為90m/min，加速度 1.5g。但滾珠絲杠是機(jī)械傳動(dòng)，機(jī)械元件間存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應(yīng)會(huì)造成運(yùn)動(dòng)滯后和非線性誤差，所以再進(jìn)一步提高滾珠絲杠副移動(dòng)速度和加速度比較難了。自20世紀(jì)90年代以來，直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模式應(yīng)用于高速高精度大型加工機(jī)床。它具有剛度高、速度范圍寬、加速特性好、運(yùn)動(dòng)慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好、運(yùn)行穩(wěn)定、位置精度高等優(yōu)點(diǎn)。而直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，不需要中間機(jī)械傳動(dòng)，減少了機(jī)械磨損和傳動(dòng)誤差，減少了維護(hù)工作。與滾珠絲杠傳動(dòng)相比，直線電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)速度提高了30倍，加速度提高了10倍，較高達(dá)10倍g，剛度提高了7倍，較高響應(yīng)頻率達(dá)到100Hz，還有很大的發(fā)展空間。目前，在高速高精度加工機(jī)床領(lǐng)域，兩種驅(qū)動(dòng)模式將長(zhǎng)期共存，但從發(fā)展趨勢(shì)來看，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的比例將越來越大。各種跡象表明，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)在高速高精度加工機(jī)床上的應(yīng)用已進(jìn)入加速增長(zhǎng)期。