一、概述
伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備,電動(dòng)機(jī)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(zhí)行機(jī)構(gòu),在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。
作為數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu),伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等集為一體,并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步,經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流,進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。數(shù)控機(jī)床中的伺服系統(tǒng)種類繁多,本文通過分析其結(jié)構(gòu)及簡單歸分,對其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作簡要探討。
二、伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類
從基本結(jié)構(gòu)來看,伺服系統(tǒng)主要由三部分組成:控制器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、反饋裝置和電動(dòng)機(jī)(圖1)。控制器按照數(shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實(shí)際運(yùn)行值的差,調(diào)節(jié)控制量;功率驅(qū)動(dòng)裝置作為系統(tǒng)的主回路,一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動(dòng)機(jī)之上,調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小,另一方面按電動(dòng)機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)所需的交流電或直流電;電動(dòng)機(jī)則按供電大小拖動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。
三、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望
進(jìn)給伺服以數(shù)控機(jī)床的各坐標(biāo)為控制對象,產(chǎn)生機(jī)床的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。為此,要求進(jìn)給伺服能快速調(diào)節(jié)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)速度,并能精確地進(jìn)行位置控制。具體要求其調(diào)速范圍寬、位移精度高、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。根據(jù)系統(tǒng)使用的電動(dòng)機(jī),進(jìn)給伺服可細(xì)分為步進(jìn)伺服、直流伺服、交流伺服和直線伺服。
(一)步進(jìn)伺服系統(tǒng)
步進(jìn)伺服是一種用脈沖信號進(jìn)行控制,并將脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的控制系統(tǒng)。其角位移與脈沖數(shù)成正比,轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比,通過改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果停機(jī)后某些繞組仍保持通電狀態(tài),則系統(tǒng)還具有自鎖能力。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù),如500步、1000步、50 000步等等,從理論上講其步距誤差不會(huì)累計(jì)。
步進(jìn)伺服結(jié)構(gòu)簡單,符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展需要,但精度差、能耗高、速度低,且其功率越大移動(dòng)速度越低。特別是步進(jìn)伺服易于失步,使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及舊設(shè)備改造。但近年發(fā)展起來的恒斬波驅(qū)動(dòng)、PWM驅(qū)動(dòng)、微步驅(qū)動(dòng)、超微步驅(qū)動(dòng)和混合伺服技術(shù),使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,將把步進(jìn)伺服的性能提高到一個(gè)新的水平。
(二)直流伺服系統(tǒng)
直流伺服的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上。與電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)的是互相獨(dú)立的兩個(gè)變量主磁通與電樞電流,它們分別控制勵(lì)磁電流與電樞電流,可方便地進(jìn)行轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制。另一方面從控制角度看,直流伺服的控制是一個(gè)單輸入單輸出的單變量控制系統(tǒng),經(jīng)典控制理論完全適用于這種系統(tǒng),因此,直流伺服系統(tǒng)控制簡單,調(diào)速性能優(yōu)異,在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中曾占據(jù)著主導(dǎo)地位。
然而,從實(shí)際運(yùn)行考慮,直流伺服電動(dòng)機(jī)引入了機(jī)械換向裝置。其成本高,故障多,維護(hù)困難,經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn),并對其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。同時(shí)機(jī)械換向器的換向能力,限制了電動(dòng)機(jī)的容量和速度。電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上,使得電動(dòng)機(jī)效率低,散熱差。為了改善換向能力,減小電樞的漏感,轉(zhuǎn)子變得短粗,影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
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