數控機床中的伺服系統分析

一、概述

作為數控機床的執行機構，伺服系統將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發展歷程。數控機床中的伺服系統種類繁多，本文通過分析其結構及簡單歸分，對其技術現狀及發展趨勢作簡要探討。

伺服系統是以機械運動的驅動設備，電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統。

二、伺服系統的結構及分類

根據驅動電動機的類型，可將其分為直流伺服和交流伺服;根據控制器實現方法的不同，可將其分為模擬伺服和數字伺服;根據控制器中閉環的多少，可將其分為開環控制系統、單環控制系統、雙環控制系統和多環控制系統。考慮伺服系統在數控機床中的應用，本文首先按機床中傳動機械的不同將其分為進給伺服與主軸伺服，然后再根據其他要素來探討不同伺服系統的技術特性。

從基本結構來看，伺服系統主要由三部分組成：控制器、功率驅動裝置、反饋裝置和電動機(圖1)。控制器按照數控系統的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調節控制量;功率驅動裝置作為系統的主回路，一方面按控制量的大小將電網中的電能作用到電動機之上，調節電動機轉矩的大小，另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網供電轉換為電動機所需的交流電或直流電;電動機則按供電大小拖動機械運轉。 

三、進給伺服系統的現狀與展望

進給伺服以數控機床的各坐標為控制對象，產生機床的切削進給運動。為此，要求進給伺服能快速調節坐標軸的運動速度，并能精確地進行位置控制。具體要求其調速范圍寬、位移精度高、穩定性好、動態響應快。根據系統使用的電動機，進給伺服可細分為步進伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。

(一)步進伺服系統

步進伺服結構簡單，符合系統數字化發展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動速度越低。特別是步進伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經濟型數控機床及舊設備改造。但近年發展起來的恒斬波驅動、PWM驅動、微步驅動、超微步驅動和混合伺服技術，使得步進電動機的高、低頻特性得到了很大的提高，特別是隨著智能超微步驅動技術的發展，將把步進伺服的性能提高到一個新的水平。

步進伺服是一種用脈沖信號進行控制，并將脈沖信號轉換成相應的角位移的控制系統。其角位移與脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率可調節電動機的轉速。如果停機后某些繞組仍保持通電狀態，則系統還具有自鎖能力。步進電動機每轉一周都有固定的步數，如500步、1000步、50 000步等等，從理論上講其步距誤差不會累計。

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