伺服系统类型详解

现代电动机控制理论的发展，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，伺服系统的主要构成的变化多样，其中任何部分的变化都可构成不同种类的伺服系统。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。

1.步进伺服系统

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，例如500步、1000步、50000步等，从理论上讲其步距误差不会累计。

步进伺服系统结构简单，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，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，将把步进伺服系统的性能提高到一个新的水平。

在步进电动机驱动的开环控制系统中，典型的产品有KT400数控系统及KT300步进驱动装置；SINUMERIK 8025数控系统配STEPDRIVE步进驱动装置；以及IMP5五相步进电动机等。

2.直流进给伺服系统

直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上的。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入/单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动系统中曾占据着主导地位。

然而，从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了机械换向装置，其成本高，故障多，维护困难，经常因电刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰；同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度；电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差；为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。

1）FANUC公司的直流进给驱动系统。从1980年开始，FANUC公司陆续推出了小惯量L系列、中惯量M系列和大惯量H系列的直流伺服电动机。中、小惯量伺服电动机采用PWM速度控制单元；大惯量伺服电动机采用晶闸管速度控制单元。驱动装置具有多种保护功能，例如过速、过电流、过电压和过载保护等。

2）SIEMENS公司的直流进给驱动系统。SIEMENS公司在20世纪70年代中期推出了IHU系列永磁式直流伺服电动机；其规格有IHU504、IHU305、IHU307、IHU310和IHU3130；与伺服电动机配套的速度控制单元有6RA20和6RA26两个系列，前者采用晶体管PWM控制，后者采用晶闸管控制。该驱动系统除了各种保护功能外，另具有热效应监控等功能。

3）MITSUBISHI公司的直流进给驱动系统。MITSUBISHI公司的HD系列永磁式直流伺服电动机，其规格有HD41、HD81、HD101、HD201和HD301等。配套的6R系列伺服驱动单元，采用晶体管PWM控制技术，具有过载、过电流、过电压和过速保护，带有电流监控等功能。

3.交流进给伺服系统

针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子上、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性。其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。

对于电动机，其输出转矩T的大小与励磁磁感应强度B₁和电枢磁感应强度B₂的大小及B₁、B2之间夹角θ的正弦成比例。即

T＝k（B₁×B₂×sinθ）

其中k为比例系数；直流电动机由于电刷的位置在几何中心线上，所以θ＝90°；因此控制简单，可以输出较大的力矩，得到了广泛的应用。但是直流电动机电刷容易磨损，需要经常更换，这就给维修造成困难，于是又开发了交流伺服电动机。

由于交流电动机θ≠90°，为了提高性能，采用交流电动机伺服控制理论和数字信号处理器，对三相交流感应电动机进行矢量控制以得到θ＝90°；对于交流同步机结构的伺服电动机，同样也可以采用矢量控制的方法，并通过控制磁场夹角的方法得到θ＝90°。由于它的特性可以与直流电动机相当，因此，进给伺服应用的电动机大多数采用这种电动机。(www.xing528.com)

交流电动机的控制，是通过交流、直流、交流的原理产生交流电压去控制交流电动机。首先电网的交流电压经过整流变成直流电压，供电给逆变器。而逆变器是由PWM控制的，通过PWM电路，变化交流电压的幅值。频率低时，输出电压的幅值也低；频率高时，由于采用PWM的控制，输出电压的幅值也高。这样就在变频的同时也改变了电压。不但进给驱动系统采用这个原理，而且交流主轴电动机的调速也是如此。一般频率为3～10kHz。

目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统。此系统有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。①模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。②数字伺服可实现一机多用，例如用于速度、力矩、位置控制，可接收模拟指令和脉冲指令；各种参数均以数字方式设定，稳定性好，具有较丰富的自诊断、报警功能。③软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统，将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电动机的监控程序以软件实现；使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态；配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。

交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。

1）FANUC公司的交流进给驱动系统。FANUC公司在20世纪80年代中期推出了晶体管PWM控制的交流驱动单元和永磁式三相交流同步电动机。电动机有S系列、L系列、SP系列和T系列。特别是Alpha系列电动机型号齐全，并采用了磁性更强的材料；反馈使用高速、高精度的串行位置编码器，可以适用于各种不同的丝杠而不需要选定编码器的线数；并且具有标准系列、小惯量系列、中惯量系列、经济型的AC系列和高压（380V）的HV系列；驱动装置有αi、βi系列交流驱动单元等。

2）SIEMENS公司的交流进给驱动系统。1983年以来，SIEMENS公司推出了交流驱动系统。系统由6SC610系列进给驱动装置和6SC611A（SIMODRIVE611A）系列进给驱动模块、1FT5和1FT6系列永磁式交流同步电动机组成。驱动采用晶体管PWM控制技术，带有热监控等功能。另外，SIEMENS公司还有用于数字伺服系统的SIMODRIVE 611D以及通用型SIMODRIVE 611U系列进给驱动模块。

3）MITSUBISHI公司的交流进给驱动系统。MITSUBISHI公司的交流驱动单元有通用型的MR-J2系列，采用PWM控制技术。交流伺服电动机有HC-MF系列、HA-FF系列、HC-SF系列和HC-RF系列。另外，MITSUBISHI公司还有用于数字伺服系统的MDS-SVJ2系列交流驱动单元。

4）A-B公司的交流进给驱动系统。A-B公司的交流驱动系统有1391系统交流驱动单元和1326型交流伺服电动机；另外，还有1391-DES系列数字式交流驱动单元，相应的伺服电动机有1391-DES15、1391-DES22和1391-DES45三种规格。

5）华中数控公司的交流进给驱动系统。华中数控公司的交流驱动系列主要有HSV-9、HSV-11、HSV-16和HSV-20D四种型号。HSV-11运用了矢量控制原理和柔性控制技术，共有额定电流为14A、20A、40A、60A这四个系列；HSV-16采用专用运动控制DSP、大规模现场可编程逻辑阵列（FPGA）和智能化功率模块（IPM）等新技术设计，操作简单、可靠性高、体积小巧、易于安装。HSV-20D是武汉华中数控股份有限公司继HSV-9、HSV-11、HSV-16之后，推出的一款全数字交流伺服驱动器，具有025、050、075、100多种型号规格，具有很宽的功率选择范围。

4.直线伺服系统

传统设计和制造的NC机床受制于标准驱动装置及控制器，使加工的精度和速度受到限制。在20世纪80年代末出现了直线伺服电机。它由两个元件组成，电磁力直接作用于移动元件而无需机械连接，没有螺距周期误差，精度完全依赖于反馈系统和分级的支承。由全数字伺服驱动器供电，刚性高、频响好，因而可获得高速度。比如FANUC直线伺服电机LiS系列的最大推力范围为300～17000N，连续推力3400N/4080N/6800N（分别对应自然冷/气冷/水冷），速度可达4m/s，加速度30m/s²，分辨率可达0.01μm，甚至更高。

直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式（Direct Drive），与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。与旋转电动机相比，主要有如下几个特点：①结构简单。由于直线电动机不需要有旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地减少。②定位精度高。在需要直线运动的地方，直线电动机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高。③反应速度快、灵敏度高。可做到滑块和定子之间始终保持一定的空气间隙而不接触，这就消除了定子、滑块间的接触摩擦阻力，因而极大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性。④工作安全可靠、寿命长。

从电动机的工作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度高频响小行程直线电动机与大推力长行程高精度直线电动机。

5.旋转工作台用内装式伺服电动机

在数控机床上把低速力矩电动机直接作为旋转工作台是伺服技术的又一个发展。传统的旋转工作台一般是通过高速伺服电动机带动降速齿轮、蜗轮、蜗杆副进行降速。传动链长，噪声大，需要维修。在采用直接驱动的伺服电动机后，由于加大了电动机转子直径，采用稀土金属作为磁极材料，因此可以获得大转矩，并对磁路进行最佳设计，以减少低速的转矩脉动。

当前，FANUC公司工作台的内装式伺服电动机D3000/150is的具体规格如下：最大输出转矩可达3000N·m；连续额定转矩可达1200N·m；最大转速为150r/min；外形高度为160mm；外径为565mm。在无载时，最大的角加速度超过100000°/s²。