杨春红（云南能源职业技术学院，云南曲靖 655000）

探析数控系统伺服电机控制

杨春红
（云南能源职业技术学院，云南曲靖 655000）

作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分。伺服系统在加工机械、半导体制造、部件组装等方面得到了广泛的应用。随着中国从制造业大国迈向制造业强国的进程和全数字式交流伺服系统的性能价格比逐步提高，交流（AC）伺服系统作为控制电机类高档精密部件，其市场需求将稳步增长。

数控机床 伺服系统 伺服电机

伺服系统是以机械运动的驱动设备，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，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，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，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，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。

1　数控机床伺服系统

（1）开环伺服系统。开环伺服系统即无位置反馈的系统，其驱动元件主要是功率步进电机或电液脉冲马达。开环系统的结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。所以开环控制系统多用于精度和速度要求不高的经济型数控机床。

（2）闭环伺服系统。闭环系统是误差控制随动系统。数控机床进给系统的误差，是CNC输出的位置指令和机床工作台（或刀架）实际位置的差值。闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置，因此需要有位置检测装置。由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量装置精度很高，从而大大提高跟随精度和定位精度。目前闭环系统的分辨率多数为1μm，定位精度可达±0.01mm～±0.005mm；高精度系统分辨率可0.1μm。因此只是用在高精度和大型数控机床上。

（3）半闭环伺服系统。半闭环系统位置检测元件不直接安装在进给坐标的最终运动部件上，而是中间经过机械传动部件的位置转换，又称间接测量。半闭环和闭环系统的控制结构是一致的，不同点只是闭环系统环内包括多的机械传动部件，传动误差均可被补偿。故半闭环伺服系统在数控机床中应用很广。

2　伺服电机控制性能优越

（1）低频特性好。步进电机易出现低速时低频振动现象。交流伺服电机不会出现此现象，运转非常平稳，交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能，可检测出机械的共振点，便于系统调整。

（2）控制精度高。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。例如松下全数字式交流伺服电机，对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89″。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

（3）过载能力强。步进电机不具有过载能力，为了克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩，选型时需要选取额定转矩比负载转矩大很多的电机，造成了力矩浪费的现象。而交流伺服电机具有较强的过载能力，例如松下交流伺服系统中的伺服电机的最大转矩达到额定转矩的三倍，可用于克服启动瞬间的惯性力矩。

（4）速度响应快。步进电机从静止加速到额定转速需要200～400毫秒。交流伺服系统的速度响应较快，例如松下MSMA 400W交流伺服电机，从静止加速到其额定转速仅需几毫秒。

（5）矩频特性佳。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时转矩会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩。

3　交流伺服电动机的发展趋势

交流伺服系统由于控制原理的先进性，成本低、免维护，并且控制特性正在全面超越直流伺服系统，其势必将在绝大多数应用领域代替传统的直流伺服电机。

AC伺服系统当前的发展趋势：

（1）高效率化、高速、高精、高性能化。尽管这方面的工作早就在进行，但是仍需要继续加强。主要包括电机本身的高效率，也包括驱动系统的高效率化，采用更高精度的编码器（每转百万脉冲级），更高采样精度和数据位数、直线电机，以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略，不断将伺服系统的指标提高。

（2）通用化。通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能，便于用户在不改变硬件配置的条件下，方便地设置成V/F控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式，适用于各种场合，可以驱动不同类型的电机。

（3）智能化。现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能，绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的可以自动辨识电机的参数，自动测定编码器零位，有些则能自动进行振动抑止。

（4）网络化和模块化。现代工业局域网发展的重要方向和各种总线标准竞争的焦点就是如何适应高性能运动控制对数据传输实时性、可靠性、同步性的要求。随着国内对大规模分布式控制装置的需求上升，高档数控系统的开发成功，网络化数字伺服的开发已经成为当务之急。模块化不仅指伺服驱动模块、电源模块、再生制动模块、通讯模块之间的组合方式，而且指伺服驱动器内部软件和硬件的模块化和可重用。

（5）小型化和大型化。无论是永磁无刷伺服电机还是步进电机都积极向更小的尺寸发展，比如20，28，35mm外径；同时也在发展更大功率和尺寸的机种，已经看到500KW永磁伺服电机的出现。体现了向两极化发展的倾向。

21世纪是一个崭新的世纪，也定将是各项科学技术飞速发展的世纪。相信随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，同时伴随着制造业的不断升级和制造技术的快速发展，必将为加工和制造技术的核心技术之一的伺服驱动技术迎来又一大好的发展时机。

［1］郑列勤.《交流伺服电机控制技术的研究》［J］.中国测试技术，2006.5.

［2］卢斌.《数控机床及其使用维修》［M］.机械工业出版社，2005.2.

［3］张初生.《伺服电机控制技术》［J］.机电技术，2006.5.28.