摘 要(Abstract)伺服電機控制技術(shù)是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分。為滿足現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)與市場發(fā)展需求，機床數(shù)控系統(tǒng)(包括進給控制和主軸控制)中的伺服電機和控制技術(shù)在現(xiàn)代電機控制理論、電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)等相關技術(shù)發(fā)展促進下也有了很大突破，近年來，數(shù)控系統(tǒng)進給控制和主軸控制用伺服電機控制技術(shù)正朝著交流化、數(shù)字化、智能化三個方向發(fā)展。
關鍵詞(Keywords)交流伺服電機 電主軸 直線電機 直接驅(qū)動
現(xiàn)代電機控制理論發(fā)展使機床數(shù)控伺服系統(tǒng)實現(xiàn)交流化、數(shù)字化、智能化機床數(shù)控系統(tǒng)中，常用的伺服電機和控制系統(tǒng)有：
開環(huán)控制系統(tǒng)
采用步進電機作為驅(qū)動器件，無須位置和速度檢測器件，也沒有反饋電路，控制電路簡單，價格低廉。步進電機和普通電機的區(qū)別主要就在于它的脈沖控制，正是這個特點，步進電機可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。不過步進電機在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的直流伺服電動機。在精度不是需要特別高的場合就可以使用步進電機，步進電機可以發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的特點。
半閉環(huán)和閉環(huán)位置控制系統(tǒng)
采用直流伺服電機或交流伺服電機作為驅(qū)動部件，可以采用內(nèi)裝于電機內(nèi)的脈沖編碼器，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器或測速發(fā)電機作為位置/ 速度檢測器件來構(gòu)成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，也可以采用直接安裝在工作臺的光柵或感應同步器作為位置檢測器件，來構(gòu)成高精度的全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。
70年代，美國GATTYS公司發(fā)明了機床用直流力矩伺服電機，從此各國數(shù)控機床開始大量采用直流伺服電機驅(qū)動。開環(huán)系統(tǒng)逐漸由閉環(huán)系統(tǒng)取代。以直流伺服電機作為驅(qū)動器件的直流伺服系統(tǒng)，控制電路比較簡單，價格較低。其主要缺點是直流伺服電機內(nèi)部有機械換向裝置，碳刷易磨損，維修工作量大，運行時易起火花，給電機的轉(zhuǎn)速和功率的提高帶來較大的困難。交流異步電機雖然價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單，但早期由于控制性能差，所以很長時間沒有在數(shù)控系統(tǒng)上得到應用。隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代電機控制理論的發(fā)展，1971年，德國西門子的Blaschke 發(fā)明了交流異步機的矢量控制法；1980年，德國人Leonhard為首的研究小組在應用微處理器的矢量控制的研究中取得進展，使矢量控制實用化。從70年代末，數(shù)控機床逐漸采用異步電機為主軸驅(qū)動電機。
如果把直流電機結(jié)構(gòu)進行“里翻外”的處理，即把電樞繞組裝在定子，轉(zhuǎn)子為永磁部分，并以轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測出磁極位置控制電子開關進行電子換相，這就構(gòu)成了永磁無刷直流電機。這種交流伺服電機具有良好的伺服性能。從80年代開始，逐漸應用在數(shù)控系統(tǒng)的進給驅(qū)動裝置上。交流伺服系統(tǒng)采用交流伺服電機作為驅(qū)動器件，可以和直流伺服電機一樣構(gòu)成高精度、高性能的半閉環(huán)或全閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于交流伺服電機內(nèi)是無刷結(jié)構(gòu)，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉(zhuǎn)速和功率的提高。目前交流伺服系統(tǒng)已在很大范圍內(nèi)取代了直流伺服系統(tǒng)。在當代數(shù)控系統(tǒng)中，伺服技術(shù)取得的突破可以歸結(jié)為：交流伺服取代直流伺服、數(shù)字控制取代模擬控制、或者把它稱為軟件控制取代硬件控制。這兩種突破的結(jié)果產(chǎn)生了交流數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)，應用在數(shù)控機床的伺服進給和主軸裝置上。由于電力電子技術(shù)及控制理論、微處理器等微電子技術(shù)的快速發(fā)展，軟件運算及處理能力的提高，采用高速微處理器和專用數(shù)字信號處理器(DSP-Digital Signal Processor)的全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)出現(xiàn)后，使系統(tǒng)的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。原來的硬件伺服控制變?yōu)檐浖欧刂�，一些現(xiàn)代控制理論中的先進算法得到實現(xiàn)，進而大大地提高了伺服系統(tǒng)的性能，例如OSP-U10/U100網(wǎng)絡式數(shù)控系統(tǒng)的伺服控制環(huán)就是一種高性能的伺服控制網(wǎng)，它對進行自律控制的各個伺服裝置和部件實現(xiàn)了分散配置，網(wǎng)絡連接，進一步發(fā)揮了它對機床的控制能力和通信速度。這些技術(shù)的突破，使伺服系統(tǒng)性能改善、可靠性提高、調(diào)試方便、柔性增強，大大推動了高精高速加工技術(shù)的發(fā)展。
采用狀態(tài)觀察器和卡爾曼濾波器可以進行電動機參數(shù)的在線辨識；采用滑模變結(jié)構(gòu)控制可增強電動機控制系統(tǒng)的魯棒性。如能將各種智能控制理論有機地結(jié)合起來，必將開創(chuàng)交流伺服控制的新天地。如模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡控制都不需要精確的對象模型和參數(shù)，使系統(tǒng)具有很強的魯棒性。
傳感器檢測技術(shù)的發(fā)展也極大地提高了交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應性能和定位精度。普遍采用的霍爾傳感器具有小于1μs 的響應時間。交流電動機調(diào)速系統(tǒng)一般選用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器、混合型的光電編碼器和絕對值編碼器作為位置、速度傳感器。隨著它們的轉(zhuǎn)速、分辨率的不斷提高，系統(tǒng)的動態(tài)響應、調(diào)速范圍以及低速性能也相應提高。傳統(tǒng)的具有A、B(兩相信號的編碼器，由于它不能兼顧分辨率和高速度，且信號線太多，從而影響了高精度、高速度的伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)。而新型的編碼器則克服了上述缺點，如日本FANUC公司生產(chǎn)的脈沖編碼器(絕對型)，由于它將來自正余弦信號的角度轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，使它具有4000r/min的高速以及高達1000000p/r或65536p/r的分辨率。另外，伺服電動機本身也在向高速方向發(fā)展，與上述高速編碼器配合實現(xiàn)了60m/min甚至100m/min的快速進給和1g的加速度。而在電動機磁路設計上也作了改進，使電動機旋轉(zhuǎn)更加平滑，再配合高速數(shù)字伺服軟件，可使電動機即使在小于1μm轉(zhuǎn)動時也顯得平滑而無爬行。以IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)和IPM(智能功率模塊)等新型電力電子器件為基礎的新一代高載波、低噪聲變頻器的開發(fā)，以及新的控制軟件的引入，把變頻調(diào)速引入了一個全新的領域，使原來僅用于開環(huán)控制的變頻器演變成了既能用于開環(huán)控制,也能用于閉環(huán)控制的稱之為“通用型驅(qū)動器”。以英國的CT公司的Unidrive產(chǎn)品和德國AMK公司的AMKASYN產(chǎn)品為代表，使變頻器登上了新的舞臺。下面以CT公司的Unidrive產(chǎn)品為例，給予簡單的介紹。
CT公司在1996年推出了通用型驅(qū)動器系列產(chǎn)品。它的控制板主要由Intel80166CPU、快閃存儲器以及3片CT公司設計的專用芯片組成，硬件高度集成化，控制板芯片數(shù)量僅為當前市場上通用變頻器的1/4。它按功率可分成5個等級，其中等級1(輸出功率為0.75～4kW)為基本單元，等級5 額定功率為120kW(它由基本單元加上擴展功率單元組成)，最多可8臺并聯(lián)，組成1000kW功率輸出。
通用型驅(qū)動器配置有大量的參數(shù)和20個菜單功能，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(huán)矢量控制、閉環(huán)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。通用型驅(qū)動器的出現(xiàn)，將大大降低機床用進給系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)的硬件成本。
機床大功率電主軸的高速化、一體化
當前，世界數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢之一是高速、高效、高精度。從80年代開始，由于數(shù)控機床的主軸、進給系統(tǒng)等功能部件的突破，數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速和進給速度都大幅度提高，以及制造技術(shù)的全面進步，使金屬切削加工進入了高速切削的新階段。90年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應用新一代高速數(shù)控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。高速電主軸單元轉(zhuǎn)數(shù)在30000r/min(有的高達1×105r/min)以上；工作臺的移動速度(進給速度)：在分辨率為1μm時, 在100m/min(有的到200m/min)以上, 在分辨率為0.1μs時，在24m/min以上。
為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機驅(qū)動進給部件以及高性能控制系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展，應用領域進一步擴大。
超高速加工是繼數(shù)控技術(shù)之后，使制造技術(shù)產(chǎn)生第二次革命性飛躍的一項高新技術(shù)。超高速機床是實現(xiàn)超高速加工的物質(zhì)基礎，而高速主軸單元則是超高速機床的“核心”部件，它的性能直接決定了機床的超高速加工性能。最佳適合高速運轉(zhuǎn)的主軸形式是將主軸電機的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，形成電主軸，實現(xiàn)機床主軸系統(tǒng)的一體化、“零傳動”。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點，并可改善機床的動平衡，避免振動和噪聲，在超高速切削機床上得到了廣泛的應用。
電主軸的工作轉(zhuǎn)速極高，這對其結(jié)構(gòu)設計、制造和控制提出了非常嚴格的要求，并帶來了一系列技術(shù)難題，如主軸的散熱、動平衡、支承、潤滑及其控制等。在應用中，必須妥善解決這些技術(shù)難題，才能確保電主軸高速運轉(zhuǎn)和精密加工的可靠性。
電主軸一體化所融合的技術(shù)包括：
·高速電機技術(shù)
電主軸是電動機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電動機。關鍵技術(shù)是高速度下的動平衡；
·高速軸承技術(shù)
電主軸通常采用復合陶瓷滾動軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限；
·油霧潤滑
電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑；也可以采用脂潤滑，但相應的速度要打折扣。所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個叫定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時會因油的阻力而發(fā)熱。
·冷卻裝置
為了盡快給高速運行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。
·內(nèi)置脈沖編碼器
為了實現(xiàn)自動換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實現(xiàn)準確的相角控制以及與進給的配合。主軸系統(tǒng)所用的位置編碼器分辨率也已達到360000p/r。
·高頻變頻裝置
要實現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用一高頻變頻裝置來驅(qū)動電主軸的內(nèi)置高速電動機，變頻器的輸出頻率必須達到上千或幾千Hz。
當前高速高精加工機床一般都使用矢量控制的變頻驅(qū)動電主軸，常內(nèi)置一脈沖編碼器，以實現(xiàn)準確的相位控制以及與進給的準確配合，電機定子和主軸軸承用恒溫水循環(huán)冷卻。所使用的主軸軸承主要是定時定量油氣潤滑的高精度陶瓷球角接觸球軸承，轉(zhuǎn)速不太高的機床也有采用脂潤滑的。主軸與刀具的接口以適合高速加工的HSK等接口為主，但也可選擇傳統(tǒng)的7：24錐孔。對精度的要求，主軸徑向跳動小于2μm，軸向竄動小于1μm，軸系不平衡度達到G0.4級。預計在2010年前，油氣潤滑的陶瓷球軸承電主軸依然是主流，空氣靜壓軸承、電主軸和磁懸浮軸承電主軸仍會比較少。
主軸傳動用電動機和進給傳動一樣，經(jīng)歷了從普通三相異步電動機傳動到直流主軸傳動，而隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進展，現(xiàn)在又進入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時代，目前已很少見到在數(shù)控機床上有使用直流主軸伺服系統(tǒng)了。
當代電主軸所使用的電機，不僅有異步交流感應電機，還有永磁同步電機，后者在相同功率下，外形尺寸較小，且轉(zhuǎn)子為永久磁鐵不發(fā)熱。
高速主軸單元技術(shù)在一些工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)發(fā)展到較高水平，并被廣泛應用于高速機床行業(yè)，已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。為了滿足國內(nèi)發(fā)展高速、高精度數(shù)控機床的需求，在“九五”期間通過攻關，我國開發(fā)出了主軸功率為2.5kW～29kW、扭矩為4～86N.m、能應用于數(shù)控機床和加工中心的電主軸，并且已裝備了部分國產(chǎn)數(shù)控機床。但是從總體上講，國產(chǎn)的電主軸和國外產(chǎn)品相比較，無論是性能、品種和質(zhì)量都有較大差距，所以目前國產(chǎn)的高轉(zhuǎn)速、高精度數(shù)控機床和加工中心所用的電主軸，仍然主要從國外進口。而高速電主軸單元技術(shù)是制約我國超高速加工技術(shù)的瓶頸。為了趕上高速加工技術(shù)發(fā)展的潮流，我國正在不斷加大對超高速加工關鍵功能部件—電主軸單元的研究力度。目前，國家高效磨削工程技術(shù)研究中心承擔了國家“十五”攻關計劃課題“高速主軸單元的研究開發(fā)與應用”，正在為提升我國的電主軸單元技術(shù)水平而不斷努力。
以直線電動機直接驅(qū)動的直線伺服進給技術(shù)已趨成熟
高速高精加工機床的進給驅(qū)動，主要有傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電機＋精密高速滾珠絲杠”和新型的“直線電機直接驅(qū)動”兩種類型。
滾珠絲杠由於工藝成熟，應用廣泛，不僅精度能達到較高(ISO3408 1級)，而且實現(xiàn)高速化的成本也相對較低，所以迄今仍為許多高速加工機床所采用。當前使用滾珠絲杠驅(qū)動的高速加工機床最大移動速度90m/min，加速度1.5g。但滾珠絲杠畢竟是機械傳動，從伺服電機到移動部件間有一系列機械元件，勢必存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應造成運動滯后和其它非線性誤差，目前滾珠絲杠副的移動速度和加速度已提高較多，再進一步提高的余地有限。自1993年，在機床進給上開始應用直線電機直接驅(qū)動，它是高速高精加工機床特別是其中的大型機床更理想的驅(qū)動方式。目前使用直線電機的高速高精加工機床最大快移速度已達208m/min，加速度2g(Mazak的HMCF3-660L加工中心的水平)，并且還有發(fā)展余地。
與滾珠絲杠傳動相比，直線電機直接驅(qū)動的優(yōu)點是：
·高剛度
直線電機直接和負載連接，沒有間隙，有更高的動態(tài)剛度。
·更寬的速度范圍
現(xiàn)代電機技術(shù)，很容易實現(xiàn)寬調(diào)速，速度變化范圍可達,1：10000以上。例如，美國科爾摩根公司DDL永磁直線電機高速大于5m/s，低速1μm/s。
·加速特性好、運動慣量小、有更高動態(tài)響應性能。
·運行平穩(wěn)，位置精度高(基本上取決于位置反饋檢測元件)。
·無行程限制
采用模塊結(jié)構(gòu), 可接長適應不同行程要求。
·采用直線電機直接驅(qū)動
省去了一切中間機械傳動，從根本上減小了機械摩損與傳動誤差，減少維護工作。
軌跡誤差小，高速下可獲得良好的定位精度。
直線電機直接驅(qū)動的優(yōu)點正好彌補滾珠絲杠傳動的不足，與滾珠絲杠傳動相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大達10g，剛度提高7倍，最高響應頻率達100Hz。
直線電機直接驅(qū)動也存在一些缺點和問題，除控制難度大(中間沒有緩沖環(huán)節(jié)和存在端部效應)外，還存在強磁場對周邊產(chǎn)生磁干擾，影響滾動導軌副的壽命，同時給排屑、裝配、維修帶來困難，以及發(fā)熱大、散熱條件差。需解決散熱、隔磁、足夠的推力、自鎖和移動部件輕量化等方面的問題，才能在機床上實際應用，同時成本較高也影響其推廣應用。目前這些問題都已得到不同程度的解決，采用者愈來愈多。
交流直線伺服電機也有感應(異步)式和同步式兩大類，同步式(次級為永久磁鋼)由于效率高、推力密度大、可控性好等優(yōu)點，盡管其對隔磁防塵要求較高和裝配較困難，現(xiàn)在也已成為機床用直線電機的主流。例如，美國Ingersoll銑床公司生產(chǎn)的HVM800高速臥式加工中心，X、Y、Z三軸都采用永磁同步直線伺服電機，最大進給速度可達76.2m/min，最大加速度1.5g。
在高速高精加工機床領域，直線電機驅(qū)動和滾珠絲杠驅(qū)動雖然還會并存相當長一段時間，但總的趨勢是直線電機驅(qū)動所占比重會愈來愈大，將來很有可能成為此種機床進給驅(qū)動的主流。現(xiàn)在世界各國的知名機床制造商(比如以發(fā)展?jié)L珠絲杠驅(qū)動聞名于世的日本Mazak公司和韓國的大宇公司)都紛紛推出直線電機驅(qū)動的機床，而德國的DMG公司，2001年便已銷售裝有直線電機的機床約1000臺，2002年要翻番，計劃為2000臺。種種跡象表明，直線電機驅(qū)動在高速高精加工機床上的應用已進入加速增長期。
