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数控机床用进给伺服系统 |
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作者：llrrbb |
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为了提高数控机床的性能，对机床用进给伺服系统提出了很高的要求。由于各种数控机床所完成的加工任务不同，所以对进给伺服系统的要求也不尽相同，但大致可概括为以下四个方面。
（1）高精度 为了保证零件加工质量和提高效率，要保证数控机床的定位精度和加工精度。因此，在位置控制中要求有高的定位精度，如5µm、1µm等；而在速度控制中，要求有高的调速精度、强的抗负载扰动的能力，也即要求静态和动态速降尽可能小。
（2）快响应 为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要求系统有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，位置跟踪误差（位置跟踪精度）要小。
（3）宽调速范围 它是指在额定负载时电动机能提供的最高转速与最低转速之比。对于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统能在0～24m/min下都能正常工作。
（4）低速大转矩 根据机床加工特点，大都是在低速时进行重切削，既要求在低速时进给伺服系统有大的转矩输出。
为了满足上述四点要求，对进给伺服系统的执行元件－－伺服电动机也提出了相应的要求，它们是：
1）电动机在整个转速范围内都能平滑地运转，转矩波动要小，特别在低速时应仍有平稳的速度而无爬行现象。
2）电动机应有一定的过载能力，以满足低速、大转矩的要求。
3）为了满足快速响应的要求，电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩、尽可能小的机电时间常数和起动电压。
4）电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。
机床进给伺服系统，一般是上位置控制、速度控制、伺服电动机、检测部件以及机械传动机构五大部分组成。但在习惯上，通常是将位置控制部分与数控装置做在一起，而且也不包括机械传动机构。因此，习惯上所说的进给伺服系统，只是指速度控制、伺服电动机和检测部件三部分。而且，将速度控制部分称之为伺服单元或驱动器。按照伺服系统的结构特点，它通常有四种基本结构类型：开环、闭环、半闭环及混合闭环。而在机床中应用得最为广泛的是半闭环结构，这是由于它的环路中非线性因素少，容易整定，可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度，而且电气控制部分与执行机械相对独立，系统通用性强。它的结构框图如图19－14所示。
图19－14 半闭环伺服系统
机床进给伺服系统在经历了开环的步进电动机系统、直流伺服系统两个分阶段之后，已进入了交流伺服系统阶段。这是由于交流电动机具有构造简单、坚固耐用的特点。随着电力电子器件的小型化和高性能化，以及计算机技术的迅速发展，过去在技术上和经济上都难以实现的交流电动机控制问题都已迎刃而解，从而使交流伺服系统取得了主导地位。
目前，在中小功率范围内，高性能的交流伺服系统的交流电动机主要采用异步电动机和永磁同步电动机两种。一般来说，异步电动机多用在功率较大、精度要求较低、投资费用要求低的场合；而永磁同步电动机则在精度要求高、容量较小的场合得到了广泛的应用。所以，在机床进给伺服系统中，多用永磁同步电动机。
永磁同步电动机按其内部结构、工作原理、驱动电流波形和控制方式的不同又可分为两种：矩形波电流驱动的永磁电动机，即无刷直流电动机（简称BDCM）和正弦波电流驱动的永磁电动机（简称PMSM）。其中，BDCM的功率密度高，系统成本较低，但低速转矩脉动大，高速时矩形波电流发生畸变，并引起转矩下降，所以一般用于低速、性能要求不高的场合；而PMSM则更多地用于要求较高的速度或位置伺服的场合。永磁同步电动机所采用的永磁材料，目前已从铁氧体发展到具有高居里点的钐钴（SmCo）和高矫顽力、高磁能积、相对价格较低的钕铁硼（NdFeB）。
交流伺服单元又有模拟式和数字式之分。早期的伺服单元全是模拟式，但在目前，国外大都采用数字－模拟混合或全数字式，而国内尚处于实验室阶段，还没有做到真正商品化。
模拟式和数字式的伺服单元各有优缺点：模拟式伺服单元一般工作速度很快，系统的频率可以做得很宽，这使系统具有快速的动态响应性能和很宽的调速范围。其缺点是难于实现复杂的控制方法，并且器件多，体积大，不易调试，还存在着零点漂移等问题。数字式伺服单元的优点是用软件编程，易于实现复杂的算法，而且柔性好，有时几种控制方法之间的改变只需改变软件即可实现，而不需做硬件上的改动，硬件电路一般比较简单，可以设计得相当紧凑。由于参数的设定和调节不必通过调节电位器来进行，所以实现的重复性好，更易批量生产。但由于高性能的电机控制算法计算量大，单片微处理机的执行速度还不够快，以及低成本的模／数（A／D）转换时间较长，因此，实用的全数字化伺服单元的电流环响应频带一般很难做到足够宽，即使用高速数字信号处理器（DSP），或采用双CPU结构以提高计算速度，使系统的电流环采样周期达到100µs左右，也无法与模拟式系统相比，当然随着微电子技术的发展以及控制算法的改进，这些缺点是可以克服的。而介于这两者之间的数模混合系统，其电流环（内环）用硬件电路实现，而速度环、位置环（外环）用软件实现，同时微处理器还可用来实现系统的运行监控、接收数字／模拟给定信号以及与外部设备进行通信联络等功能。
图19－15示出了一种简单实用的数字化无刷直流电动机的控制方案。
图19－15中的CPU接受速度给定指令，并检测电动机的转速，完成速度调节功能，产生的电流给定指令经D／A输出；逆变器的直流母线电流用霍尔电流传感器引入作为电流反馈信号，经过电流调节器得到脉宽调制信号（PWM）；根据转向、运行／封锁及磁极位置等信号形成的逆变器开关矢量表存放在EPROM中。通过选通EPROM的地址线，相应的开关矢量输出到数据线上，经驱动放大后即可得到六路驱动信号去控制逆变器。框图中的逆变器是将直流电变换为交流电的部件，应用最为广泛的是脉宽调制（PWM）型逆变器，它实际上是控制逆变器开关器件的通断顺序和时间分配规律，在逆变器的输出端获得等幅、宽度可调的矩形波。按其形成方式，它大致可分为正弦脉冲宽度调制（SPWM）、自适应电流控制PWM、相移PWM及谐波抑制原理的PWM等四大类，其中SPWM是应用最为广泛的一种。
上述控制方案的线路十分简单，与三相电流分别调节的控制方案（需三个霍尔电流传感器和三个电流调节器）不同，它只需一个电流传感器和一个电流调节器就能有效地实现电流闭环控制，不仅硬件实现十分方便，成本低，还可大大减少逆变器的开关次数。
目前，国内正在研究开发的全数字化永磁同步电动机控制方法，大都基于空间电压矢量控制方法。图19－16示出了一种全数字永磁同步电动机控制系统框图。
图19－16 全数字永磁同步电动机控制系统框图
它们的关键在于要根据电动机定子电压矢量的位置或电流矢量的偏差值来选择逆变器施加的电压矢量，其中零矢量和非零矢量的作用时间的计算是这些控制方法的关键。而且，准确地计算电压矢量的作用时间与缩短电流环的采样周期，对提高控制系统的性能而言又是一对矛盾。要准确地计算矢量的作用时间需要复杂的计算，而电流环的采样周期将随计算时间的增加而增加；反之，如追求缩短采样周期，而粗略地计算矢量的作用时间，同样会使系统性能下降。
机床进给伺服系统所用的检测部件主要有旋转变压器和脉冲编码器两种，在全闭环时用作位置检测的还有光栅等。它们的性能直接影响到伺服系统的性能。
旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机。从物理本质上看，旋转变压器是一种可以转动的变压器。它由定子和转子组成，其原、副绕组分别放置在定、转子上，原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关。因此，当它的原绕组施加单相交流电压励磁时，副绕组输出电压的幅值将与转子转角有关。旋转变压器有多种分类方法：若按有无电刷来分，可分为接触式和无接触式两种；若按极对数来分，可分为单对极和多对极；若按用途来分，可分为计算用旋转变压器和数据传输用变压器；若按输出电压与转子转角间的函数关系来分，可分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等四类。
脉冲编码器也叫光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前在机床上应用最多的传感器，根据它产生脉冲方式的不同，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。其中增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。而绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。它的特点是：①可以直接读出角度坐标的绝对值；②没有累积误差；③电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。而混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。
用于机床的位置测量并已得到广泛应用的有光栅、感应同步器、容栅、磁栅、球栅和激光。它们的检测精度及其代表厂商如表19－1所示。
表19－1 数控机床常用检测系统精度
从表19－1可见，除激光外，光栅尺的分辨率和精度均高于其他四种测量系统，而在系统的稳定性、可靠性、使用方便及价格方面均比激光测量系统有着明显的优势。因此，在90年代，国际市场上的数控机床（指闭环控制结构），包括三坐标测量机所采用的测量系统80％以上都使用光栅。高精度的光栅测量系统，其分辨率可做到纳米级，精度可达±0.2µm。
光栅的种类很多，在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称作透射光栅；在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称作反射光栅；也可把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅；根据用途，可分为测量直线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。其中以玻璃衍光栅的精度为最高。目前世界上能生产光栅测量系统的国家很多，以德国的HEIDENHAIN公司为著名，它无论在技术、品种、产量和市场占有率上都处于绝对领先地位。
以上提到的三类检测部件我国均有生产，但精度较低，影响了我国数控机床的性能，这是今后发展的方向。(end)
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(7/8/2004) |
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