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数控机床中的伺服系统分析


  是以机械运动的驱动设备,电动机为控制对象,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。

  作为数控机床的执行机构,伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体,并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步,经历了从步进到直流,进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多,本文通过分析其结构及简单归分,对其技术现状及发展趋势作简要探讨。

  从基本结构来看,伺服系统主要由三部分组成:控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机(图1)。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差,调节控制量;功率驱动装置作为系统的主回路,一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上,调节电动机转矩的大小,另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电;电动机则按供电大小拖动机械运转。

  图1中的主要成分变化多样,其中任何部分的变化都可构成不同种类的伺服系统。如根据驱动电动机的类型,可将其分为直流伺服和交流伺服;根据控制器实现方法的不同,可将其分为模拟伺服和数字伺服;根据控制器中闭环的多少,可将其分为开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。考虑伺服系统在数控机床中的应用,本文首先按机床中传动机械的不同将其分为进给伺服与主轴伺服,然后再根据其他要素来探讨不同伺服系统的技术特性。

  进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象,产生机床的切削进给运动。为此,要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度,并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机,进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。

  步进伺服是一种用脉冲信号进行控制,并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比,转速与脉冲频率成正比,通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态,则系统还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数,如500步、1000步、50 000步等等,从理论上讲其步距误差不会累计。

  步进伺服结构简单,符合系统数字化发展需要,但精度差、能耗高、速度低,且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步,使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术,使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高,特别是随着智能超微步驱动技术的发展,将把步进伺服的性能提高到一个新的水平。

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