数控伺服系统

第6章数控伺服系统6﹒1概述数控机床伺服系统是数控系统的重要组成部分,它是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。在数控机床中，伺服系统是数控装置和机床主机的联系环节，接收CNC装置插补器（由硬件或软件组成）发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大由伺服电机带动传动机构，昀后转化为机床的直线或转动位移。由于伺服系统中包含了大量的电力电子器件，并应用反馈控制原理和许多其它新技术，因此系统结构复杂，综合性强。在一定意义上，伺服系统的静、动态性能，决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率。因此，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。6.1.1伺服系统的组成数控伺服系统由伺服电机（M）、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、电流调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置（如光电脉冲编码器G等）组成。一般闭环伺服系统的结构如图6.1所示。这是一个三环结构系统，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。CNCGM位置反馈速度反馈电流反馈工作台转换驱动电流调解速度调解位置调解图6.1伺服系统结构图位置环由位置调节控制模块、位置检测和反馈控制部分组成。速度环由速度比较调节器、速度反馈和速度检测装置（如测速发电机、光电脉冲编码器等）组成。电流环由电流调节器、电流反馈和电流检测环节组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。位置控制主要用于进给运动坐标轴，对进给轴的控制是要求昀高的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度的控制有严格要求，而且在多轴联动时，还要求各进给运动轴有很好的动态配合，才能保证加工精度和表面质量。位置控制功能包括位置控制、速度控制和电流控制。速度控制功能只包括速度控制和电流控制，一般用于对主运动坐标轴的控制。6.1.2对伺服系统的基本要求伺服系统为数控系统的执行部件，不仅要求稳定地保证所需的切削力矩和进给速度，而且要准确地完成指令规定的定位控制或者复杂的轮廓加工控制。对伺服系统的基本要求如下：1．精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。作为数控加工，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，定位精度一般允许的偏差为0﹒01～0﹒001mm，甚至2210﹒1µm。轮廓加工精度与速度控制、联动坐标的协调一致控制有关。在速度控制中，要求较高的调速精度，具有比较强的抗负载扰动能力。即对静态、动态精度要求都比较高。2．稳定性好稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态，对伺服系统要求有较强的抗干扰能力。稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。3．快速响应快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。一方面要求过渡过程（电机从静止到额定转速）时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面要求超调要小。这二方面的要求往往是矛盾的，实际应用中要采取一定措施，按工艺加工要求做出一定的选择。4．调速范围宽调速范围是指生产机械要求电机能提供的昀高转速和昀低转速之比。通常表示为nRmaxnminnminmaxnRn=n式中，和一般是指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，也可以是实际负载时的转速。maxnminn在数控机床中，由于加工用刀具，被加工材质及零件加工要求的不同，伺服系统需要具有足够宽的调速范围。目前，先进的水平是，在分辨率为1µm的情况下，进给速度范围为0～240m/min，且无级连续可调。但对于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统在0～24m/min进给速度范围内都能工作就足够了。伺服控制系统的总体控制效果是由位置控制和速度控制一起决定的（也包括电流控制）。对速度控制不过份地追求像位置控制那么大的控制范围。否则，速度控制单元将会变得相当复杂。这将提高成本，又将降低可靠性。一般来说，在总的开环位置增益为20（l/s）时，只要保证速度单元具有1:1000的调速范围就完全可以满足要求。当然，代表当今先进水平的速度控制单元的技术已可达到1:100000的调速范围。主轴伺服系统主要是速度控制，它要求低速（额定转速以下）恒转矩调速具有1:100～1000调速范围，高速（额定转速以上）恒功率调速具有1:10以上的调速范围。5．低速大转矩机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。伺服系统中的执行元件伺服电机是一个非常重要的部件，应具有高精度、快反应、宽调速和大转矩的优良性能，尤其对进给伺服电机要求更高。具体是：(1)电机从低速到高速范围内能平滑运转，且转矩波动要小。在昀低转速时，如0﹒1r/min或更低转速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。(2)电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。电机能在数分钟内过载数倍而不损坏，直流伺服电机为4～6倍，交流伺服电机为2～4倍。(3)为了满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电机应能在较短时间内达到规定的速度。响应速度直接影响到系统的品质。因此，要求电机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度(400rad/s2以上)。这样才能保证电机在0﹒2s以内从静止起动到额定转速。(4)电机应能承受频繁的起动、制动和正反转。6.1.3伺服系统的分类2221．按调节理论分类（1）开环伺服系统开环伺服系统（见图6.2）只有指令信号的前向控制通道，没有检测反馈控制通道，其驱动元件主要是步进电机。这种系统工作原理是将指令数字脉冲信号转换为电机的角度位移。实现运动和定位，主要靠驱动装置（既驱动电路）和步进电机本身保证。转过的角度正比于指令脉冲的个数；运动速度由进给脉冲的频率决定。脉冲工作台步进电机驱动电路图6.2开环伺服系统开环系统的结构简单，易于控制。一般来说，精度差、低速不平稳、高速扭矩小。主要用于轻载、负载变化不大或经济型数控机床上。现代高精度、硬特性的步进电机及其驱动装置都在迅速发展中。（2）闭环伺服系统闭环系统是误差控制随动系统。数控机床进给系统的控制量是CNC输出的位移指令和机床工作台（或刀架等）实际位移的差值（误差）。因此需要有位置检测装置。该装置放在工作台上，测出各坐标轴的实时位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得误差，CNC装置控制机床向着消除误差的方向运动。在闭环控制中还引入了实际速度与给定速度比较调解的速度环（其内部有电流环），作用是对电机运行状态实时进行较正、控制，达到速度稳定和变化平稳的目的，从而改善位置环的控制品质。这种既有指令的前向控制通道，又有测量输出的反馈控制通道，就构成了闭环控制伺服系统。该系统主要分为全闭环控制和和半闭环控制二种（还有一种混合闭环控制，用于重型和超重型数控机床）。全闭环控制见图6.3和图6.1（位置环的检测反馈部分由虚线代替）。位置检测位置控制速度控制速度检测伺服电机指令图6.3闭环系统从理论上讲，全闭环伺服系统（以下称闭环系统）的精度取决于测量装置的精度，反馈测量装置精度很高，环内各种机电误差都可以得到校正和补偿，从而使系统具有很高的跟随精度和定位精度。但这并不意味着可降低对机床结构和传动装置的要求，其各种非线性（摩擦特性、刚性、间隙）都会影响调解品质。只有机械装置具有较高精度时，才能保证该系统的高精度、高速度。闭环系统的缺点是调试、维修较困难。主用于精密、大型数控设备上。（3）半闭环系统位置检测元件从昀终运动部件（如工作台）移到电机轴端或丝杠轴端，见图6.4和图6.1（去掉工作台上的位置测量元件和虚线部分）。半闭环系统通过角位移的测量间接计算出工作台的实际位移量。机械传动部件不在控制环内，容易获得稳定的控制特性。只要检测元件分辨率高、精度高，并使机械传动件具有相应的精度，就会获得较高精度和速度。半闭环控制系统的精度介于开环和全闭环系统之间。精度虽没有闭环高，调试却比全闭223环方便，因此是广泛使用的一种数控伺服系统。.脉冲编码工作台位置控制速度控制伺服电机图6.4半闭环系统使用图6.4中，光电脉冲编码器为检测元件（一般用于位置检测）。在这里，该器件即用来检测位移量，又用于检测速度量（经过转换）,这是半闭环中广泛使用的一种检测方案。2．按使用的执行元件分类（1）电液伺服系统电液伺服系统的执行元件通常为电液脉冲马达和电液伺服马达，其前一级为电气元件，驱动元件为液动机和液压缸。数控机床发展的初期，多数采用电液伺服系统。电液伺服系统具有在低速下可以得到很高的输出力矩，以及刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳等优点。然而，液压系统需要油箱、油管等供油系统，体积大。此外，还有噪声、漏油等问题，从70年代起被电气伺服系统代替。只是具有特殊要求时，才采用电液伺服系统。（2）电气伺服系统电气伺服系统的执行元件为伺服电机（步进电机、直流电机和交流电机），驱动单元为电力电子器件，操作维护方便，可靠性高。现代数控机床均采用电气伺服系统。电气伺服系统分为步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。1）直流伺服系统直流伺服系统从70年代到80年代中期，在数控机床上占主导地位。进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。大惯量直流伺服电机具有良好的调速性能，输出转矩大，过载能力强。由于电机自身惯量较大，容易与机床传动部件进行惯量匹配，所构成的闭环系统易于调整。中小惯量直流伺服电机用减少电枢转动惯量的方法获得快速性。中小惯量电机一般都设计成有高的额定转速和低的惯量，所以应用时，要经过中间机械减速传动来达到增大转矩和与负载进行惯量匹配的目的。直流电机配有晶闸管全控桥（或半控桥）或大功率晶体管脉宽调制的驱动装置。该系统的缺点是电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格较贵。2）交流伺服系统交流伺服系统使用交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。直流伺服电机使用机械（电刷、换向器）换向，存在着一些固有的缺点，使其应用受到限制。80年代以后，由于交流伺服电机的材料、结构、控制理论和方法均有突破性的进展，电力电子器件的发展又为控制与方法的实现创造了条件，使得交流驱动装置发展很快，目前已取代了直流伺服系统。该系统的昀大优点是电机结构简单、不需要维护、适合于在恶劣环境下工作。此外，交流伺服电机还具有动态响应好、转速高和容量大等优点。当今，交流伺服系统已实现了全数字化，即是说在伺服系统中，除了驱动级外，电流环、速度环和位置环全部数字化。全部伺服的控制模型、数控功能、静动态补偿、前馈控制、昀优控制、自学习功能等均由微处理器及其控制软件高速实时地实现。其性能更加优越，已达到和超过直流伺服系统。3．按被控对象分类（1）进给伺服系统进给伺服系统是指一般概念的位置伺服系统，它包括速度控制环和224位置控制环。进给伺服系统控制机床各进给坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求昀高的伺服控制。（2）主轴伺服系统一般的主轴伺服系统只是一个速度控制系统。控制主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，完成在转速范围内的无级变速和转速调节。当主轴伺服系统要求有位置控制功能时（如数控车类机床），称为C轴控制功能。这时，主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。此外，刀库的位置控制是为了在刀库的不同位置选择刀具，与进给坐标轴的位置控制相比，性能要低得多，故称为简易位置伺服系统。4．按反馈比较控制方式分类（1）脉冲、数字比较伺服系统该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，以产