20世紀50年代出現(xiàn)數(shù)控機床以來，作為數(shù)控機床重要組成部分的伺服系統(tǒng)，隨著新材料、電子電力、控制理論等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了從步進伺服系統(tǒng)到直流伺服系統(tǒng)再到今天的交流伺服系統(tǒng)的過程。交流伺服技術(shù)的日益發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)將逐步全面取代直流伺服系統(tǒng)。
數(shù)控（Numerical Control）是數(shù)控技術(shù)的簡稱。它是利用數(shù)字化的信息對機床及加工過程進行控制的一種方法。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要部分，它隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)都是由計算機完成以前硬件數(shù)控所做的工作，為特別強調(diào)，有時也稱為計算機數(shù)字控制系統(tǒng)。計算機數(shù)字控制CNC（Computer Numerical Control）系統(tǒng)是以微處理器技術(shù)為特征,并隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、通訊技術(shù)以及精密測量技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展完善的一種先進加工制造系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)框圖見圖1所示，它由數(shù)控程序、輸入輸出設(shè)備、操作面板、CNC裝備、可編程控制器（PLC）、主軸伺服系統(tǒng)、進給伺服系統(tǒng)、檢測裝備和一些電氣輔助裝置等組成。
伺服系統(tǒng)是以驅(qū)動裝置—電機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)，它包括伺服驅(qū)動器和伺服電機。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的指令信號，驅(qū)動機床移動部件跟隨指令脈沖運動，并保證動作的快速和準確，這就要求高質(zhì)量的速度和位置伺服。數(shù)控機床的精度和速度等技術(shù)指標往往主要取決于伺服系統(tǒng)。
數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)發(fā)展與分類
數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)應(yīng)滿足以下基本要求:
精度高
數(shù)控機床不可能像傳統(tǒng)機床那樣用手動操作來調(diào)整和補償各種誤差，因此它要求很高的定位精度和重復定位精度。
圖1 CNC系統(tǒng)框圖
快速響應(yīng)特性好
快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的標志之一。它要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號不僅跟隨誤差小，而且響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。在系統(tǒng)給定輸入后，能在短暫的調(diào)節(jié)之后達到新的平衡或是受到外界干擾作用下能迅速恢復原來的平衡狀態(tài)。
調(diào)速范圍大
由于工件材料、刀具以及加工要求不同，要保證數(shù)控機床在任何情況下都能得到切削條件，伺服系統(tǒng)就必須有足夠的調(diào)速范圍，既能滿足高速加工要求，又能滿足低速進給要求。調(diào)速范圍一般大于1:10000。而且在低速切削時，還要求有較大穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩輸出。
系統(tǒng)可靠性要好
數(shù)控機床的使用率要求很高，常常是24小時連續(xù)工作不能停機，因而要求工作可靠。
數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的基本組成如圖2 所示。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)按有無反饋檢測元件分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。驅(qū)動控制單元是將進給指令轉(zhuǎn)化為執(zhí)行元件所需要的信號，執(zhí)行元件將該信號轉(zhuǎn)為機械位移。開環(huán)控制系統(tǒng)沒有反饋檢測元件和比較控制環(huán)節(jié)，這些是閉環(huán)控制系統(tǒng)必須的部分。
圖2 伺服系統(tǒng)的基本組成
伺服系統(tǒng)按用途和功能分為進給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng)。按有無反饋檢測元件分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。按執(zhí)行元件的不同，分為步進伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。
步進伺服系統(tǒng)
在20世紀60年代以前，步進伺服系統(tǒng)是以步進電機驅(qū)動的液壓伺服電動機或是以功率步進電機直接驅(qū)動為特征，伺服系統(tǒng)采用開環(huán)控制。
步進伺服系統(tǒng)接受脈沖信號，它的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)過的角度取決于指令脈沖的頻率或個數(shù)。由于沒有檢測和反饋環(huán)節(jié)，步進電機的精度取決于步距角的精度，齒輪傳動間隙等，所以它的精度較低。而且步進電機在低頻時易出現(xiàn)振動現(xiàn)象，它的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降。又由于步進伺服系統(tǒng)為開環(huán)控制，步進電機在啟動頻率過高或負載過大時易出現(xiàn)“丟步”或“堵轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高容易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。另外步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要的時間也較長，速度響應(yīng)較慢。但是由于其結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，工作可靠，價格較低的特點，在許多要求不高的場合還是可以應(yīng)用的。
直流伺服系統(tǒng)
60～70年代后，數(shù)控系統(tǒng)大多采用直流伺服系統(tǒng)。直流伺服電機具有良好的寬調(diào)速性能。輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，伺服系統(tǒng)也由開環(huán)控制發(fā)展為閉環(huán)控制，因而在工業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域獲得了更加廣泛的運用。但是，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，其相應(yīng)設(shè)備如精密數(shù)控機床、工業(yè)機器人等對電伺服系統(tǒng)提出越來越高的要求，尤其是精度、可靠性等性能。而傳統(tǒng)直流電動機采用的是機械式換向器，在應(yīng)用過程中面臨很多問題，如電刷和換向器易磨損，維護工作量大，成本高;換向器換向時會產(chǎn)生火花，使電機的轉(zhuǎn)速及應(yīng)用環(huán)境受到限制;直流電機結(jié)構(gòu)復雜、成本高、對其他設(shè)備易產(chǎn)生干擾。
這些問題的存在，限制了直流伺服系統(tǒng)在高精度、高性能要求伺服驅(qū)動場合的應(yīng)用。
交流伺服系統(tǒng)
針對直流電動機的缺點，人們一直在努力尋求以交流伺服電動機取代具有機械換向器和電刷的直流伺服電動機的方法，以滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是高精度、高性能伺服驅(qū)動領(lǐng)域的需要。但是由于交流電機具有強耦合，非線性的特性，控制非常復雜，所以高性能運用一直受到局限。自80年代以來，隨著電子電力等各項技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，在矢量控制算法方面的突破，原來一直困擾著交流電動機的問題得以解決，交流伺服發(fā)展地越來越快。
交流伺服系統(tǒng)的特點
交流伺服系統(tǒng)除了具有穩(wěn)定性好、快速性好、精度高的特點外，與直流伺服電機系統(tǒng)相比有一系列優(yōu)點:
交流電機不存在換向器圓周調(diào)速限制，也不存在電樞元件中電抗電勢數(shù)值限制，其轉(zhuǎn)速限制可以設(shè)計得比相同功率的直流電機高。
調(diào)速范圍寬，目前大多數(shù)的交流伺服電機的變速比可以達到1:5000，高性能的伺服電機的變速比已達1:10000以上。滿足數(shù)控機床傳動調(diào)速范圍寬、靜差率小的要求。
矩頻特性好，交流電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。并且具有轉(zhuǎn)矩過載能力，可克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。滿足機床伺服系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)相應(yīng)好、定位精度高的要求。
國內(nèi)交流伺服的研究現(xiàn)狀
交流伺服系統(tǒng)包括基于異步電動機的交流伺服系統(tǒng)和基于同步電動機的交流伺服系統(tǒng)。目前機床主要采用的是永磁同步交流伺服系統(tǒng)。在交流伺服研究領(lǐng)域，日本、美國和歐洲的研究一直走在世界前列。日本的安川公司在20世紀80年代中期研制成功世界上第一臺交流伺服驅(qū)動器。隨后FANUC、三菱、松下等公司先后推出各自的交流伺服系統(tǒng)，國外的這些產(chǎn)品大多是基于異步電動機的。國內(nèi)在基于異步電機交流伺服系統(tǒng)的研究比較晚，到目前為止還沒有產(chǎn)品問世。國內(nèi)很多學者把研究的重點放在永磁同步電機伺服系統(tǒng)上。我國的華中科技大學、北京機床研究所、西安微電動機研究所、沈陽自動化研究所、蘭州電動機廠等單位開始研究并推出交流伺服系統(tǒng)。其中，由廣州數(shù)控公司生產(chǎn)的DA98全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動裝置在我國的高精度數(shù)控伺服驅(qū)動行業(yè)已經(jīng)打開局面，打破了外國公司壟斷的格局，開創(chuàng)了民族品牌新紀元。
交流伺服的信號和數(shù)控系統(tǒng)接口有三種模式，也是它經(jīng)歷的三個階段。以國內(nèi)來說，廣州數(shù)控的DA98屬于第一代也是劃時代的一種伺服驅(qū)動器，它是國內(nèi)第一臺全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動裝置，它接受方向命令脈沖。第二代是以埃斯頓為代表的EDB系列，它不僅能夠接受脈沖命令信號，還能接受速度控制或是轉(zhuǎn)矩控制的模擬量的輸入。第三代是網(wǎng)絡(luò)化交流伺服系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)化伺服系統(tǒng)是工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)和全數(shù)字化交流伺服的有機結(jié)合，全數(shù)字化交流伺服技術(shù)可以使用戶根據(jù)負載狀況調(diào)整參數(shù)，也省去了一些模擬回路所產(chǎn)生的漂移等不穩(wěn)定因素。采用基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，將微處理器和現(xiàn)場總線接口置入全數(shù)字型交流電機伺服驅(qū)動器，形成智能型獨立的全數(shù)字伺服控制單元，將其直接連接到工業(yè)現(xiàn)場總線上，就形成了新型的基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。減少了硬件數(shù)量和連線，各智能單元結(jié)構(gòu)上獨立自主，可與外界以及相互間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，而且可以加掛其它現(xiàn)場控制設(shè)備，易于擴展。到目前為止網(wǎng)絡(luò)化交流伺服器在國內(nèi)還沒有成熟產(chǎn)品。北京航空航天大學機器人研究所開發(fā)設(shè)計了一種基于DSP＋FPGA+ASIPM的網(wǎng)絡(luò)化交流伺服控制系統(tǒng)，原理樣機已在三維雕刻機上得到了初步的驗證。
目前的伺服器驅(qū)動器內(nèi)部大多采用高速DSP處理器，推進了各種先進的運動控制算法在新型驅(qū)動器上的使用。在硬件結(jié)構(gòu)上各大伺服系統(tǒng)供應(yīng)商大多采用DSP+CPLD（FPGA）結(jié)構(gòu)，由于DSP和CPLD（FPGA）的可重復編程性，可以實現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)的模塊化可重構(gòu)。只要為系統(tǒng)配置相應(yīng)不同的軟件（包括控制算法）就可以控制和驅(qū)動異步電機、永磁同步伺服電機、無刷直流電機，而通過對FPGA的重新配置還可以驅(qū)動直流電機和三相感應(yīng)式高壓步進電機。這就為數(shù)控機床的升級以及革新留下了很多的空間。
交流伺服的發(fā)展趨勢
隨著生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)向著集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。
集成化
使用單一、多功能的控制單元，通過軟件的設(shè)置實現(xiàn)位置控制和速度控制功能?？梢允褂帽旧砼渲玫姆答亞卧獦?gòu)成半閉環(huán)或是通過外部接口構(gòu)成高精度的全閉環(huán)控制系統(tǒng)。
智能化
伺服器控制模式的智能化，如在內(nèi)部預(yù)先編程實現(xiàn)某種運動軌跡，控制本站點周邊的IO口，內(nèi)帶主從跟隨模式調(diào)整，電子凸輪等。
網(wǎng)絡(luò)化
伺服器間實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化分布式控制。伺服器實現(xiàn)模塊化的可重構(gòu)，節(jié)省成本。
結(jié)束語
現(xiàn)代數(shù)控機床是朝著精密化和高速化方向發(fā)展。作為數(shù)控機床主要組成部分的伺服系統(tǒng)，越來越多的選擇停留在交流伺服上面，它具有其他幾種伺服系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢。隨著交流伺服技術(shù)的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)將逐漸地全面取代直流伺服系統(tǒng)。
