数控系统伺服电机控制技术发展动向

作者：广州电器科学研究院 谭建成

欢迎访问e展厅 展厅 1 电动机展厅 三相异步电动机, 单相电机, 马达, 伺服电机, 直流电机, ... 摘要(Abstract)伺服电机控制技术是数控系统的重要组成部分。为满足现代数控系统技术与市场发展需求，机床数控系统(包括进给控制和主轴控制)中的伺服电机和控制技术在现代电机控制理论、电力电子技术、微处理器技术等相关技术发展促进下也有了很大突破，近年来，数控系统进给控制和主轴控制用伺服电机控制技术正朝着交流化、数字化、智能化三个方向发展。 关键词(Keywords)交流伺服电机 电主轴 直线电机 直接驱动 现代电机控制理论发展使机床数控伺服系统实现交流化、数字化、智能化机床数控系统中，常用的伺服电机和控制系统有： 开环控制系统 采用步进电机作为驱动器件，无须位置和速度检测器件，也没有反馈电路，控制电路简单，价格低廉。步进电机和普通电机的区别主要就在于它的脉冲控制，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。 半闭环和闭环位置控制系统 采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动部件，可以采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/ 速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，也可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。 70年代，美国GATTYS公司发明了机床用直流力矩伺服电机，从此各国数控机床开始大量采用直流伺服电机驱动。开环系统逐渐由闭环系统取代。以直流伺服电机作为驱动器件的直流伺服系统，控制电路比较简单，价格较低。其主要缺点是直流伺服电机内部有机械换向装置，碳刷易磨损，维修工作量大，运行时易起火花，给电机的转速和功率的提高带来较大的困难。交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，但早期由于控制性能差，所以很长时间没有在数控系统上得到应用。随着电力电子技术和现代电机控制理论的发展，1971年，德国西门子的Blaschke 发明了交流异步机的矢量控制法；1980年，德国人Leonhard为首的研究小组在应用微处理器的矢量控制的研究中取得进展，使矢量控制实用化。从70年代末，数控机床逐渐采用异步电机为主轴驱动电机。 如果把直流电机结构进行“里翻外”的处理，即把电枢绕组装在定子，转子为永磁部分，并以转子轴上的编码器测出磁极位置控制电子开关进行电子换相，这就构成了永磁无刷直流电机。这种交流伺服电机具有良好的伺服性能。从80年代开始，逐渐应用在数控系统的进给驱动装置上。交流伺服系统采用交流伺服电机作为驱动器件，可以和直流伺服电机一样构成高精度、高性能的半闭环或全闭环控制系统，由于交流伺服电机内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中，伺服技术取得的突破可以归结为：交流伺服取代直流伺服、数字控制取代模拟控制、或者把它称为软件控制取代硬件控制。这两种突破的结果产生了交流数字驱动系统，应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上。由于电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，采用高速微处理器和专用数字信号处理器(DSP-Digital Signal Processor)的全数字化交流伺服系统出现后，使系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。原来的硬件伺服控制变为软件伺服控制，一些现代控制理论中的先进算法得到实现，进而大大地提高了伺服系统的性能，例如OSP-U10/U100网络式数控系统的伺服控制环就是一种高性能的伺服控制网，它对进行自律控制的各个伺服装置和部件实现了分散配置，网络连接，进一步发挥了它对机床的控制能力和通信速度。这些技术的突破，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强，大大推动了高精高速加工技术的发展。 采用状态观察器和卡尔曼滤波器可以进行电动机参数的在线辨识；采用滑模变结构控制可增强电动机控制系统的鲁棒性。如能将各种智能控制理论有机地结合起来，必将开创交流伺服控制的新天地。如模糊控制和神经元网络控制都不需要精确的对象模型和参数，使系统具有很强的鲁棒性。 传感器检测技术的发展也极大地提高了交流电动机调速系统的动态响应性能和定位精度。普遍采用的霍尔传感器具有小于1μs 的响应时间。交流电动机调速系统一般选用无刷旋转变压器、混合型的光电编码器和绝对值编码器作为位置、速度传感器。随着它们的转速、分辨率的不断提高，系统的动态响应、调速范围以及低速性能也相应提高。传统的具有A、B(两相信号的编码器，由于它不能兼顾分辨率和高速度，且信号线太多，从而影响了高精度、高速度的伺服系统的实现。而新型的编码器则克服了上述缺点，如日本FANUC公司生产的脉冲编码器(绝对型)，由于它将来自正余弦信号的角度转化成数字量，使它具有4000r/min的高速以及高达1000000p/r或65536p/r的分辨率。另外，伺服电动机本身也在向高速方向发展，与上述高速编码器配合实现了60m/min甚至100m/min的快速进给和1g的加速度。而在电动机磁路设计上也作了改进，使电动机旋转更加平滑，再配合高速数字伺服软件，可使电动机即使在小于1μm转动时也显得平滑而无爬行。以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和IPM(智能功率模块)等新型电力电子器件为基础的新一代高载波、低噪声变频器的开发，以及新的控制软件的引入，把变频调速引入了一个全新的领域，使原来仅用于开环控制的变频器演变成了既能用于开环控制,也能用于闭环控制的称之为“通用型驱动器”。以英国的CT公司的Unidrive产品和德国AMK公司的AMKASYN产品为代表，使变频器登上了新的舞台。下面以CT公司的Unidrive产品为例，给予简单的介绍。 CT公司在1996年推出了通用型驱动器系列产品。它的控制板主要由Intel80166CPU、快闪存储器以及3片CT公司设计的专用芯片组成，硬件高度集成化，控制板芯片数量仅为当前市场上通用变频器的1/4。它按功率可分成5个等级，其中等级1(输出功率为0.75～4kW)为基本单元，等级5 额定功率为120kW(它由基本单元加上扩展功率单元组成)，最多可8台并联，组成1000kW功率输出。 通用型驱动器配置有大量的参数和20个菜单功能，便于用户在不改变硬件配置的条件下,方便地设置成V/F控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式，适用于各种场合。通用型驱动器的出现，将大大降低机床用进给系统和主轴系统的硬件成本。 机床大功率电主轴的高速化、一体化 当前，世界数控技术及其装备发展趋势之一是高速、高效、高精度。从80年代开始，由于数控机床的主轴、进给系统等功能部件的突破，数控机床的主轴转速和进给速度都大幅度提高，以及制造技术的全面进步，使金属切削加工进入了高速切削的新阶段。90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速电主轴单元转数在30000r/min(有的高达1×105r/min)以上；工作台的移动速度(进给速度)：在分辨率为1μm时, 在100m/min(有的到200m/min)以上, 在分辨率为0.1μs时，在24m/min以上。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 超高速加工是继数控技术之后，使制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术。超高速机床是实现超高速加工的物质基础，而高速主轴单元则是超高速机床的“核心”部件，它的性能直接决定了机床的超高速加工性能。最佳适合高速运转的主轴形式是将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，形成电主轴，实现机床主轴系统的一体化、“零传动”。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用。 电主轴的工作转速极高，这对其结构设计、制造和控制提出了非常严格的要求，并带来了一系列技术难题，如主轴的散热、动平衡、支承、润滑及其控制等。在应用中，必须妥善解决这些技术难题，才能确保电主轴高速运转和精密加工的可靠性。 电主轴一体化所融合的技术包括： ·高速电机技术 电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡； ·高速轴承技术 电主轴通常采用复合陶瓷滚动轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限； ·油雾润滑 电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。 ·冷却装置 为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。 ·内置脉冲编码器 为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。主轴系统所用的位置编码器分辨率也已达到360000p/r。 ·高频变频装置 要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千Hz。 当前高速高精加工机床一般都使用矢量控制的变频驱动电主轴，常内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的准确配合，电机定子和主轴轴承用恒温水循环冷却。所使用的主轴轴承主要是定时定量油气润滑的高精度陶瓷球角接触球轴承，转速不太高的机床也有采用脂润滑的。主轴与刀具的接口以适合高速加工的HSK等接口为主，但也可选择传统的7：24锥孔。对精度的要求，主轴径向跳动小于2μm，轴向窜动小于1μm，轴系不平衡度达到G0.4级。预计在2010年前，油气润滑的陶瓷球轴承电主轴依然是主流，空气静压轴承、电主轴和磁悬浮轴承电主轴仍会比较少。 主轴传动用电动机和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动，而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代，目前已很少见到在数控机床上有使用直流主轴伺服系统了。 当代电主轴所使用的电机，不仅有异步交流感应电机，还有永磁同步电机，后者在相同功率下，外形尺寸较小，且转子为永久磁铁不发热。 高速主轴单元技术在一些工业发达国家已经发展到较高水平，并被广泛应用于高速机床行业，已经产生了巨大的经济效益。为了满足国内发展高速、高精度数控机床的需求，在“九五”期间通过攻关，我国开发出了主轴功率为2.5kW～29kW、扭矩为4～86N.m、能应用于数控机床和加工中心的电主轴，并且已装备了部分国产数控机床。但是从总体上讲，国产的电主轴和国外产品相比较，无论是性能、品种和质量都有较大差距，所以目前国产的高转速、高精度数控机床和加工中心所用的电主轴，仍然主要从国外进口。而高速电主轴单元技术是制约我国超高速加工技术的瓶颈。为了赶上高速加工技术发展的潮流，我国正在不断加大对超高速加工关键功能部件—电主轴单元的研究力度。目前，国家高效磨削工程技术研究中心承担了国家“十五”攻关计划课题“高速主轴单元的研究开发与应用”，正在为提升我国的电主轴单元技术水平而不断努力。 以直线电动机直接驱动的直线伺服进给技术已趋成熟 高速高精加工机床的进给驱动，主要有传统的“旋转伺服电机＋精密高速滚珠丝杠”和新型的“直线电机直接驱动”两种类型。 滚珠丝杠由於工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高(ISO3408 1级)，而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。但滚珠丝杠毕竟是机械传动，从伺服电机到移动部件间有一系列机械元件，势必存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应造成运动滞后和其它非线性误差，目前滚珠丝杠副的移动速度和加速度已提高较多，再进一步提高的余地有限。自1993年，在机床进给上开始应用直线电机直接驱动，它是高速高精加工机床特别是其中的大型机床更理想的驱动方式。目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208m/min，加速度2g(Mazak的HMCF3-660L加工中心的水平)，并且还有发展余地。 与滚珠丝杠传动相比，直线电机直接驱动的优点是： ·高刚度 直线电机直接和负载连接，没有间隙，有更高的动态刚度。 ·更宽的速度范围 现代电机技术，很容易实现宽调速，速度变化范围可达,1：10000以上。例如，美国科尔摩根公司DDL永磁直线电机高速大于5m/s，低速1μm/s。 ·加速特性好、运动惯量小、有更高动态响应性能。 ·运行平稳，位置精度高(基本上取决于位置反馈检测元件)。 ·无行程限制 采用模块结构, 可接长适应不同行程要求。 ·采用直线电机直接驱动 省去了一切中间机械传动，从根本上减小了机械摩损与传动误差，减少维护工作。 轨迹误差小，高速下可获得良好的定位精度。 直线电机直接驱动的优点正好弥补滚珠丝杠传动的不足，与滚珠丝杠传动相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大达10g，刚度提高7倍，最高响应频率达100Hz。 直线电机直接驱动也存在一些缺点和问题，除控制难度大(中间没有缓冲环节和存在端部效应)外，还存在强磁场对周边产生磁干扰，影响滚动导轨副的寿命，同时给排屑、装配、维修带来困难，以及发热大、散热条件差。需解决散热、隔磁、足够的推力、自锁和移动部件轻量化等方面的问题，才能在机床上实际应用，同时成本较高也影响其推广应用。目前这些问题都已得到不同程度的解决，采用者愈来愈多。 交流直线伺服电机也有感应(异步)式和同步式两大类，同步式(次级为永久磁钢)由于效率高、推力密度大、可控性好等优点，尽管其对隔磁防尘要求较高和装配较困难，现在也已成为机床用直线电机的主流。例如，美国Ingersoll铣床公司生产的HVM800高速卧式加工中心，X、Y、Z三轴都采用永磁同步直线伺服电机，最大进给速度可达76.2m/min，最大加速度1.5g。 在高速高精加工机床领域，直线电机驱动和滚珠丝杠驱动虽然还会并存相当长一段时间，但总的趋势是直线电机驱动所占比重会愈来愈大，将来很有可能成为此种机床进给驱动的主流。现在世界各国的知名机床制造商(比如以发展滚珠丝杠驱动闻名于世的日本Mazak公司和韩国的大宇公司)都纷纷推出直线电机驱动的机床，而德国的DMG公司，2001年便已销售装有直线电机的机床约1000台，2002年要翻番，计划为2000台。种种迹象表明，直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。(end)

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