如何优化伺服系统响应速度提升生产力？

数控机床伺服系统（Servo System）通常是指进给伺服系统，它是数控系统和机床机械传动部件间的联接环节，是数控机床的重要组成部分，包含机械传动、电气驱动、检测、自动控制方面的内容，涉及强电与弱电控制。进给伺服系统是以机床移动部件位置为控制量的自动控制系统，它根据数控系统插补运算生成的位置指令，精确地变换为机床移动部件的位移，直接反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。

伺服系统完成机床移动部件（如工作台；主轴或刀具进给等）的位置和速度控制。它接收计算机的插补命令，将插补脉冲转换为机械位移。伺服系统的性能直接影响数控机床的精度和工作台的速度等技术指标。因此，数控机床对伺服系统有如下要求。

（1）高精度

由于数控机床的动作是由伺服电动机直接驱动的，为了保证移动部件的定位精度，对进给伺服系统要求定位准确。一般要求定位精度达到0.01～0.001mm；高档设备的定位精度要求达到0.1μm以上。速度控制要求在负载变化时有较强的抗扰动能力，以保证速度恒定。这样才能在轮廓加工中保证有较好的加工精度。

（2）可逆运行

在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正向或反向运动，同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。

（3）响应快速

为了提高生产率，保证加工精度要求伺服系统有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就对伺服系统的动态性能提出了两方面的要求：一方面，在伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产效率和保证加工质量，要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零到最大，或从最大减少到零，时间应控制在200ms以下，甚至少于几十毫秒，且速度变化不应有超调；另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短且无振荡，这样才能达到光滑的加工表面。

（4）调速范围宽

目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是0～30m/min，有的已达到240m/min。除去滚珠丝杠和降速齿轮的降速作用，伺服电动机要有更宽的调速范围。对于主轴电动机，因使用无级调速，要求有（1∶100）～（1∶1000）的恒转矩调速以及1∶10以上的恒功率调速。

（5）低速大转矩

机床在低速切削时，切深和进给量都较大，要求主轴电动机输出转矩较大。现代的数控机床，通常是伺服电动机与丝杠直联，没有降速齿轮，这就要求进给电动机能输出较大的转矩。对于数控机床进给伺服系统主要是速度和位置控制。

（6）较强的过载能力

由于电动机加减速时要求有很快的响应速度，而使电动机可能在过载的条件下工作，这就要求电动机有较强的抗过载能力。通常要求电动机在数分钟内过载4～6倍而不损坏。

（7）惯性匹配

移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。

数控机床伺服系统主要按以下三种情况进行分类。

（1）按用途和功能分

1）进给驱动系统。其主要用于数控机床工作台坐标或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的力矩。主要关心其力矩大小、调速范围大小、调节精度高低、动态响应的快速性。进给驱动系统一般包括速度控制环和位置控制环。

2）主轴驱动系统。其主要用于控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。主要关心其是否有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；它只是一个速度控制系统。

（2）按使用的执行元件分

1）电液伺服系统。其伺服驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达。其优点是在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳；其缺点是液压系统需要供油系统，体积大、有噪声、漏油等。

2）电气伺服系统。其伺服驱动装置是伺服电动机（如步进电动机、直流电动机和交流电动机等）。其优点是操作维护方便，可靠性高，其中可分为：

①步进伺服系统。其进给运动系统采用步进电动机驱动器和步进电动机。其优点是价格低，缺点是控制精度偏低，因此其常用于控制精度要求不高的数控机床上。

②直流伺服系统。其进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电动机和中小惯量直流伺服电动机；主运动系统采用他激直流伺服电动机。其优点是调速性能好；缺点是有电刷，速度不高。

③交流伺服系统。其进给运动系统采用交流感应异步伺服电动机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电动机（一般用于进给伺服系统）。优点是结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作；动态响应好、转速高和容量大。

（3）按控制原理分

可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统和全闭环伺服系统。在第4章中的4.1.1.2中有介绍，在此不再重复。

本节主要介绍电气伺服系统的步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。

步进伺服系统主要由步进驱动器和步进电动机组成。其性能不但取决于步进电动机自身的性能，也取决于步进电动机驱动器的优劣。对步进电动机驱动器的研究几乎是与步进电动机的研究同步进行的。

5.3.3.1 步进电动机

步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电动机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电动机按结构可分为反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）等。数控机床常采用功率型反应式或混合式步进电动机，功率型步进电动机可以直接驱动较大的负载。

（1）反应式步进电动机

也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小（最小可做到10′）；断电时无定位转矩；电动机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。

（2）永磁式步进电动机

通常电动机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5°、15°、22.5°等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。

（3）混合式步进电动机

也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电动机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8°）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是发展较快的一种步进电动机（图5-25）。

图5-25 步进电动机

（a）实物（b）结构

1—转轴 2—滚珠轴承 3—转子一

4—永久磁钢 5—转子二 6—定子 7—线圈

图5-26三相反应式步进电动机的工作原理图

步进电动机的工作原理：图5-26所示为三相反应式步进电动机的工作原理图。在定子上有六个磁极，分别绕有A、B、C三相绕组，构成三对磁极，转子上有四个齿。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，对转子上的齿产生电磁转矩，并吸引它，使它一步一步地转动。具体过程如下：

当A相通电时，转子的1号、3号两齿在磁场力的作用下与AA磁极对齐。此时，转子的2号、4号齿和B相、C相绕组磁极形成错齿状。当A相断电而B相通电时，新磁场力又吸引转子2号、4号两齿与BB磁极对齐，转子顺时针转过30 °。如果控制线路不断地按A→B→C→A的顺序控制步进电动机绕组的通、断电，步进电动机的转子便会不停地顺时针转动。很明显，A、B、C三相轮流通电一次，转子的齿移动了一个齿距。

5.3.3.2 步进驱动器

步进驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。如图5-27所示为四相步进电动机驱动器实物图与拨码开关参数设定。从图中可看出，上面部分分别是脉冲信号（PUL）、方向信号（DIR）和使能信号（ENA）的接口，中间部分是拨码开关，拨码开关中SW1～SW3是动态电流设定。SW4用来设定驱动器的自动半流功能。off表示静态电流设为动态电流的一半，on表示静态电流与动态电流相同。一般用途中应将SW4设成off，使得电动机和驱动器的发热减少，可靠性提高。脉冲串停止后约0.4秒左右电流自动减至一半左右（实际值的60%），发热量理论上减至36%。SW5～SW8四个拨码开关用来设定驱动器微步细分精度。拨码开关下面部分是步进驱动器的电源接口和步进电动机的接口。

图5-28为步进驱动器的硬件连接示意图和控制原理图。从控制器中发送脉冲信号和方向信号到步进驱动器中的环形分配器细分电路，由拨码开关的SW5～SW8设置细分精度，经过细分后通过功率放大给相应的相通电，其中方向信号用以控制相通电的顺序，脉冲信号的频率控制步进电动机的转速，脉冲数目控制要转的步距角。

图5-27 步进电动机驱动器

（a）步进驱动器实物（b）拨码开关

图5-28 四相步进驱动器连接示意图

（a）步进驱动器硬件连接示意图（b）步进驱动器控制原理图

直流伺服驱动系统主要由直流伺服电动机和直流伺服驱动器组成。下面将介绍有关直流伺服电动机和直流伺服驱动器的有关情况。

5.3.4.1 直流伺服电动机

直流伺服电动机是自动控制系统中具有特殊用途的直流电动机，又称为执行电动机，它能够把输入的电压信号变换成轴上的角位移和角速度等机械信号。直流伺服电动机的工作原理、基本结构及内部电磁关系与一般用途的直流电动机相同（图5-29）。(www.xing528.com)

它由定子和转子两大部分组成，定子包括磁极（永磁体）、电刷装置、机座、机盖等部件；转子通常称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴等部件。此外在转子的尾部装有测速机和旋转变压器（或光电编码器）等检测元件。

数控机床直流进给伺服系统多采用永磁式直流伺服电动机作为执行元件，为了与伺服系统所要求的负载特性相吻合，常采用控制电动机电枢电压的方法来控制输出转矩和转速。目前使用最广泛的方法是晶体管脉宽调制器—直流电动机调速（PWM—M），简称PWM变换器。它具有响应快、效率高、调整范围宽、噪声污染低、结构简单、可靠等优点。

图5-29 永磁式直流伺服电动机

（a）工作原理示意图（b）结构（c）实物

1—光电编码器 2—电刷 3—换向器 4—永久磁铁

5—电枢线圈 6—转子 7—轴承

永磁式直流伺服电动机工作原理：当转子6转动时，由于电刷2和换向器3的作用，使得N极和S极下的导体电流方向不变，即原来在N极下的导体只要一转过中性面进入S极下的范围，电流就反向；反之，原来在S极下的导体只要一过中性面进入N极下，电流也马上反向。根据电流在磁场中受到的电磁力方向可知，图中转子受到顺时针方向力矩的作用，转子作顺时针转动。如果要使转子反转，只需改变电枢绕组的电流方向，即电枢电压的方向。

5.3.4.2 直流伺服驱动器

目前直流伺服电动机驱动器使用最广泛的方法是晶体管脉宽调制器—直流电动机调速（PWM—M），简称PWM变换器。它具有响应快、效率高、调整范围宽、噪声污染低、结构简单、可靠等优点。

所谓脉宽调制，就是使功率晶体管工作于开关状态，开关频率恒定，用改变开关导通时间的方法来调整晶体管的输出，使电动机两端得到宽度随时间变化的电压脉冲。当开关在单周期内的导通时间随时间发生连续变化时，电机电枢得到的电压平均值也随时间连续发生变化，而由于内部的续流电路和电枢电感的滤波作用，电枢上的电流则连续改变，从而达到调节电机转速的目的。

图5-30为PWM直流调速系统组成原理图。该系统由控制部分、功率晶体管放大器和全波整流器三部分组成。控制部分包括速度调节器、电流调节器、固定频率振荡器及三角波发生器、脉宽调制器和基极驱动电路。其中控制部分的速度调节器和电流调节器与晶闸管调速系统相同，控制方法仍采用双环控制，不同部分是脉宽调制和功率放大。

图5-30 PWM直流调速系统组成原理图

如图5-31所示为济南科亚电子科技有限公司所生产的直流伺服驱动器，图5-31中（a）为前面板示意图。其接线端子的说明如下：

端口1、2为速度给定输入端口。信号输入的引线应采用屏蔽电缆，并尽量缩短线缆的长度，线缆中间不允许有接头，否则会引起杂波信号干扰，造成系统振荡、马达转速抖动或零点不稳等现象。

端口3、4为转速反馈发电机信号输入端口。其接线要求与端口1、2相同。

端口5、6、7为正限位和负限位接线端口，采用常闭端口接线方式。当不需要限位时，三个端口需要短接。

端口8为直流15V电源输出端口。

端口9、10、11为电动机正转输入端口和反转输入端口。

端口12、13为电动机过热保护端口。

端口14、15为外部使能控制端口。当接通时，驱动器正常工作，当断开时，驱动器停止工作。

端口16、17为电源输出端口。

端口19、20为外部复位开关端口。

端口21、22为故障报警输出端口。

图5-31 直流伺服驱动器

（a）前面板示意图（b）实物

由于直流伺服电动机存在机械换向器，需要较多的维护，运行火花使应用环境受到了某些限制，转子容易发热，影响与其相连接的丝杠精度，高速运行和大容量设计都受到机械换向器的限制。交流伺服电动机本身结构简单，坚固耐用，体积小，重量轻，没有机械换向，无需多少维护。目前数控机床常用交流伺服驱动系统作为进给伺服系统使用。交流伺服驱动系统主要由交流电动机和交流伺服驱动器组成。

5.3.5.1 交流伺服电动机

交流伺服电动机有同步型和异步型两大类。异步型交流电动机指的是交流感应电动机。同步型交流电动机按转子结构不同可分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。数控机床运动控制中多用永磁式同步电动机，主轴驱动系统多用永磁式异步电动机。

（1）永磁交流同步伺服电动机

同步型交流伺服电动机比异步电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与异步电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组，而转子却不同。按不同的转子结构，同步型交流伺服电动机分为电磁式及非电磁式两大类。永磁式同步电动机的优点：结构简单、运行可靠、体积约小1/2，质量减轻60%，转子惯量可减小到1/5、效率较高；其缺点是启动特性欠佳、控制复杂（图5-32）。

图5-32 永磁交流同步伺服电动机

（a）电机结构（b）工作原理（c）实物

1—定子 2—转子 3—脉冲编码器 4—接线管 5—定子三相绕组

永磁交流同步电动机工作原理：当定子1三相绕组通上交流电源后，就产生了一个旋转磁场，该磁场以同步转速n_s旋转。根据磁极同性相斥，异性相吸的原理，定子旋转磁极吸引转子永久磁极，并带动转子一起同步旋转。

（2）永磁交流异步伺服电动机

永磁交流异步伺服电动机有三相和单相之分，也有笼型和绕线转子之分，通常多用笼型三相异步电动机。其优点是结构简单，与同容量的直流电动机相比重量轻1/2，价格便宜1/3；其缺点是转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较广的平滑调速，效率较低、功率因数低（图5-33）。

图5-33 永磁交流异步伺服电动机

（a）实物（b）内部结构（c）相图

其工作原理是当三相异步电动机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。该旋转磁场与转子导体有相对切割运动，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势并产生感应电流。根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。电动机的转速（转子转速）小于旋转磁场的转速，因此称为异步电动机。

5.3.5.2 交流伺服驱动器

交流伺服驱动器与交流伺服电动机一起组成了交流伺服系统，其控制精度是影响整个交流伺服系统的主要因素。如图5-34所示为交流伺服驱动器的系统结构图。从图中可知，整个系统分成主电路和控制电路两个部分，主电路输入380V三相电源经过整流器和软起动控制电路后将主电源输送给IPM逆变器，由逆变器控制伺服电动机的相的通电顺序。控制电路输入220V交流电源经过开关电源转换后提供给控制电路使用，整个控制电路以FPGA（Field-Pro-grammable Gate Array，即现场可编程门阵列）为基础，与MPU和DSP共同处理交流伺服控制部分，最后通过DSP输出门极驱动电路到逆变器，从而实现了对伺服电动机的控制。

不同厂家所生产的交流伺服驱动器都不相同，在维修时应当查看数控机床有关该型号伺服驱动器的技术资料。以下将介绍比较常用的松下公司所生产的A4系列交流伺服驱动器。

图5-34 交流伺服系统结构图

如图5-35所示，各接线端子功能如下：

端口X1为电源输入接口，包括了主电源输入端子和控制电源输入端子。

图5-35 松下A4系列交流伺服驱动器

端口X2为电动机接口，包括了电动机连接端子和制动电阻接线端子。

端口X3和X4为通讯口。

端口X5为控制信号输入输出端口。

端口X6为旋转编码器接口。

端口X7为外置光栅接口。

交流伺服驱动器根据需要可以工作在不同的控制模式，主要有位置控制模式和速度控制模式。如图5-36、图5-37所示。

图5-36 位置控制模式信号接线图

图5-37 速度控制模式信号接线图