数控机床中伺服系统技术特性的应用

　　1 概述

　　作为数控机床的执行机构，伺服系统集电力电子器件、控制、驱动及保护为一体，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。

　　伺服系统是以机械运动的驱动设备一电动机为控制对象，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。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现机械的运动要求。数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户要求的复杂形状工件。

　　2 伺服系统的结构

　　从基本结构看，伺服系统主要由控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机组成。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。

　　考虑伺服系统在数控机床中的应用，本文按机床中传动机械的不同将其分为进给伺服与主轴伺服。

　　3 进给伺服系统的特性

　　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[2]。

　　(1)步进伺服系统

　　步进伺服是一种用脉冲信号控制，并将脉冲信号转换成相应角位移的控制系统。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1周都有固定的步数，如500步、1000步、50000步等，理论上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，使步进电动机的高、低频特性得到很大提高，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新的水平。