数控机床伺服驱动技术

一、概述

伺服驱动技术作为数控机床、工业机器人及其它产业机械控制的关键技术之一，在国内外普遍受到关注。在20世纪最后10年间，微处理器(特别是数字信号处理器——DSP)技术、电力电子技术、网络技术、控制技术的发展为伺服驱动技术的进一步发展奠定了良好的基础。如果说20世纪80年代是交流伺服驱动技术取代直流伺服驱动技术的话，那么，20世纪90年代则是伺服驱动系统实现全数字化、智能化、网络化的10年。这一点在一些工业发达国家尤为明显。

二、国外现状与发展趋势

无人化、规模化生产对加工设备提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流伺服系统具有高响应、免维护(无碳刷、换向器等磨损元部件)、高可靠性等特点，正好适应了这一需求。例如，日本FANUC公司、三菱电机公司、安川电机公司、德国Siemens公司、AEG公司、力士乐Indramat公司、美国A.B公司、GE公司等均先后在1984年前后将交流伺服系统付诸实用。国内的交流伺服驱动技术起步较晚，到20世纪80年代末才有产品问世。如冶金部自动化研究院华腾公司的ACS系列、扬州5308厂引进Siemens公司的610系列，这些产品采用大功率晶体管模块(GTR)，属于模拟伺服，但从技术上填补了国内空白。

进入20世纪s"年代，微电子制造工艺的日臻完善，使得DSP运算速度呈几何数上升，达到了伺服环路高速实时控制的要求，一些运动控制芯片制造商还将电机控制所必需的外围电路(如A/D转换器、位置/速度检测倍频计数器、PWM发生器等)与DSP内核集成于一体，使得伺服控制回路采样时间达到100µs以内，由单一芯片实现自动加、减速控制，电子齿轮同步控制，位置、速度、电流三环的数字化补偿控制。一些新的控制算法如速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。另一方面，电力电子技术的发展，使得伺服系统主电路功率元件的开关频率由2～5kHz提升到15～20kHz，1GBT(绝缘栅门双极性晶体管)及IPM(智能型功率模块)均是这一时代的产物，从而提高了系统的平稳性，降低了系统的噪音。以上两个方面不仅是交流伺服实现数字化的基础，而且使得交流伺服趋于小型化。目前一些工业发达国家的伺服系统生产厂家基本上均能够提供全数字交流伺服系统或者可以与自己的CNC系统相配套，如日本FANUC公司、三菱电机公司、安川电机公司、松下公司、山洋电机公司、德国Siemens公司、力士乐Indramat公司、Lenze公司、美国A.B公司、Kollmorgen公司、Relliance公司、Baldor公司、PacificScientific公司等。

全数字交流伺服技术的飞速发展，使得用户根据负载状况(如惯量、间隙、摩擦力等)调整参数更为方便，也省去了一些模拟回路所产生的漂移等不稳定因素，但在发展初期，伺服接口缺乏统一标准，各个厂家均设计自己的接口电路，相互之间无可互换性，用户适配较为麻烦。在网络技术及PC-basedCNC技术快速发展的情况下，这一问题尤为突出。

在1987年，由德国机床协会和德国电力电子协会联合提出数字驱动接口国际标准，即SERCOS(SerialReal-timeCommunicationSystem串行实时通信系统)接口作为高性能运动控制系统闭环数据串行实时通信接口，这两个协会将电机、驱动系统、CNC系统的主要制造商组成一个联合工作组。最初加入SERCOS工作组的公司有AEC、ABB、AMK、Banmuller、Bosch、Indramat、Siemens、PacificScientific等几家公司。到了1994年，SERCOS成为控制器与数字伺服驱动系统接口的国际标准并作为IEC61491标准获得通过，因此具有开放性，迄今成员已增加到70多个公司。与此同时，开发了相应的ASIC芯片、SERCON816，传输速度为2/4/8/16Mbit/s，SERCOS与其它串行现场总线相比，有效数据传输率高，例如Ethement以100Mbit/s速度传输数据时，有效数据传输率为5～10Mbit/s；SERCOS以16Mbit/s速度传输数据时，有效数据传输率为11Mbit/s。CAN(controllerAreaNetwork)用于运动控制时，必须提供额外的存储缓冲器及信号管理资源，其成本大约是SERCOS接口的2倍，另一个特点是它的光纤噪声抑制能力强、传输可靠性高。虽然SERCOS接口初终是为CNC与数字伺服接口而开发，迄今已被广泛应用于通用运动控制器与数字伺服之间的接口。目前已能满足在2ms内，使一台控制器与多达32个伺服系统实现数据通信。SERCOS为数字伺服网络化铺就了一条宽阔大道，可以预见，在不远的将来，带有SERCOS接口的伺服系统将会进入家庭、办公室、工厂车间乃至各个与伺服应用相关的领域。力士乐Indramat公司在1999年之所以占据北美伺服驱动市场10.5%的份额、位居第一位，一方面是该公司在应用工程、销售、服务及用户支持方面的加强，另一个主要因素是承诺开放结构——SERCOS。

轻质(如铜、木材、铝合金等)、复合材料在汽车、家电、AF业中的大量使用，对高速、高效加工提出了新的要求。为了适应这一需求，一些工业发达国家相继推出直线电机、高速主轴电机，而且付诸实用。对于直线电机而言，其控制技术与传统的交流伺服电机相差不多，但由于直线电机本身没有转子等转动体，因而本身惯量小，所以具有高动态响应性，而检测元件直接安装于机械一侧，从而检测工作台的位移，也避免了旋转电机在方向改变时所存在的换向间隙，满足了高速、高精密加工对伺服驱动系统的要求。从IMTS’2000展览会来看，一些工业发达国家在高速加工技术方面处于领先水平，IBAG公司已向业界提供0.125～185kW，最高转速为14,000r/min的系列化高速内装式主轴系统，径向、轴向重复精度小于1µm，电机轴承有混合陶瓷轴承、液静压轴承、磁浮轴承三种，采用水管冷却，且内置位置传感器供加工中心ATC之用。主轴驱动采用矢量变频技术，已在模具加工、高精密电极加工、铝质零件加工、高精度磨削加工等领域广泛应用，Fisher公司也有类似产品。

三、国内现状与发展趋势

我国在20世纪80年代初期通过引进、消化、吸收国外先进技术，又在国家“七五”、“八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技项目攻关取得了很大成果。但由于产品可靠性等方面的原因，制约着我国数控机床的配套及应用，从而影响我国装备制造业的发展。一些机床厂家也不得不选用国外的伺服系统，使得国产数控机床在价格、交货期、可靠性等方面均不占优势，更无心力开发市场需求的新品种，从而失去巨大的市场份额。从公开的统计资料来看，CNC系统中75%以上的故障出自伺服部分。然而，近年来在国家不断组织科技攻关的同时，一些民营高科技公司也为发展我国伺服驱动技术注入了新的活力。例如北京中宝伦自动化技术有限公司在国家没有投入一分钱的情况下，以市场为导向，不断开发新产品，1994年开发成功PDC系列直流伺服系统，扭矩从1N•m至44.1N•m共有七个规格的宽调速直流伺服电机，采用国际上最新一代的功率器件——IPM、PWM控制，调制频率达到15kHz，有效地克服了以往SCR控制时电流断续所产生的换向火花对于换向器的烧蚀，可使碳刷寿命延长1倍以上。1997年底该公司又开发成功PAC系列交流伺服系统，与兰州电机厂引进德国Siemens公司1FT5系列的94个规格的无刷交流伺服电机相配套。转速系列有1,200r/min、2,000r/min、3,000r/min、4,000r/min、4,500r/min、6,000r/min，扭矩范围0.15～90N·；2000年11月又根据市场需求，开发出PAC-P系列数字化位置型交流伺服系统。这些产品推向市场后，取得了很好的社会效益及经济效益，得到北京第一机床厂、清华大学精密仪器厂、青海第一机床厂等厂家认可，与XA5750滑枕铣床、XA718立式铣床、XA2412/2410龙门铣床和XKA5032数控立式铣床、数控异型螺杆铣床、XKA8132/8140数控铣床等配套。除此之外，也应用于复合材料成型机械、汽车子午胎一段、二段成型及裁断机械、卫星风洞群控制、电子元件材料切割、编带等领域。目前，近200台应用于国内各大汽车子午胎生产线，每日24h连续运行。除在国内应用外，从1997年开始，该公司部分产品由北京第一机床厂配套出口到德国、加拿大、澳大利亚等国家。从1994年至今售出将近1000台套交/直流伺服系统，几年来无一台返修，根据该公司记录数字来看，只有8台均由于用户接线错误而导致保险电阻、电源回路及接口元器件烧坏。使用中宝伦产品的用户改变了对于国产伺服系统可靠性不好的看法。华中数控系统有限公司、珠峰数控公司、航天数控公司、中科院电工所等单位通过实施国家科技项目攻关，已能够向各机床制造厂配套自身数控系统所需要的伺服系统，还应用于一些老设备技术改造。洛阳轴承研究所自主研发高速电主轴，已应用于轴承磨床、印刷电路板铣、钻等方面。