伺服驅(qū)動

 

 

 

 

伺服驅(qū)動技術(shù)作為數(shù)控機床、工業(yè)機器人及其它產(chǎn)業(yè)機械控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，在國內(nèi)外普遍受到關(guān)注。在20世紀(jì)后10年間，微處理器(特別是數(shù)字信號處理器——DSP)技術(shù)、電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展為伺服驅(qū)動技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。如果說20世紀(jì)80年代是交流伺服驅(qū)動技術(shù)取代直流伺服驅(qū)動技術(shù)的話，那么，20世紀(jì)90年代則是伺服驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的10年。這一點在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家尤為明顯。

 

無人化、規(guī)模化生產(chǎn)對加工設(shè)備提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流伺服系統(tǒng)具有高響應(yīng)、免維護(無碳刷、換向器等磨損元部件)、高可靠性等特點，正好適應(yīng)了這一需求。例如，日本FANUC公司、三菱電機公司、安川電機公司、德國Siemens公司、AEG公司、力士樂Indramat公司、美國A.B公司、GE公司等均先后在1984年前后將交流伺服系統(tǒng)付諸實用。國內(nèi)的交流伺服驅(qū)動技術(shù)起步較晚，到20世紀(jì)80年代末才有產(chǎn)品問世。如冶金部自動化研究院華騰公司的ACS系列、揚州5308廠引進Siemens公司的610系列，這些產(chǎn)品采用大功率晶體管模塊(GTR)，屬于模擬伺。

進入20世紀(jì)s"年代，微電子制造工藝的日臻完善，使得DSP運算速度呈幾何數(shù)上升，達(dá)到了伺服環(huán)路高速實時控制的要求，一些運動控制芯片制造商還將電機控制所必需的外圍電路(如A/D轉(zhuǎn)換器、位置/速度檢測倍頻計數(shù)器、PWM發(fā)生器等)與DSP內(nèi)核集成于一體，使得伺服控制回路采樣時間達(dá)到100µs以內(nèi)，由單一芯片實現(xiàn)自動加、減速控制，電子齒輪同步控制，位置、速度、電流三環(huán)的數(shù)字化補償控制。一些新的控制算法如速度前饋、加速度前饋、低通濾波、凹陷濾波等得以實現(xiàn)。另一方面，電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得伺服系統(tǒng)主電路功率元件的開關(guān)頻率由2～5kHz提升到15～20kHz，IGBT(絕緣柵門雙極性晶體管)及IPM(智能型功率模塊)均是這一時代的產(chǎn)物，從而提高了系統(tǒng)的平穩(wěn)性，降低了系統(tǒng)的噪音。以上兩個方面不僅是交流伺服實現(xiàn)數(shù)字化的基礎(chǔ)，而且使得交流伺服趨于小型化。2012年一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家的伺服系統(tǒng)生產(chǎn)廠家基本上均能夠提供全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)或者可以與自己的CNC系統(tǒng)相配套，如日本FANUC公司、三菱電機公司、安川電機公司、松下公司、山洋電機公司、德國Siemens公司、力士樂Indramat公司、Lenze公司、美國A.B公司、Kollmorgen公司、Relliance公司、Baldor公司、PacificScientific公司等。

全數(shù)字交流伺服技術(shù)的飛速發(fā)展，使得用戶根據(jù)負(fù)載狀況(如慣量、間隙、摩擦力等)調(diào)整參數(shù)更為方便，也省去了一些模擬回路所產(chǎn)生的漂移等不穩(wěn)定因素，但在發(fā)展初期，伺服接口缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各個廠家均設(shè)計自己的接口電路，相互之間無可互換性，用戶適配較為麻煩。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及PC-basedCNC技術(shù)快速發(fā)展的情況下，這一問題尤為突出。

在1987年，由德國機床協(xié)會和德國電力電子協(xié)會聯(lián)合提出數(shù)字驅(qū)動接口標(biāo)準(zhǔn)，即SERCOS(SerialReal-timeCommunicat*tem串行實時通信系統(tǒng))接口作為高性能運動控制系統(tǒng)閉環(huán)數(shù)據(jù)串行實時通信接口，這兩個協(xié)會將電機、驅(qū)動系統(tǒng)、CNC系統(tǒng)的主要制造商組成一個聯(lián)合工作組。初加入SERCOS工作組的公司有AEC、ABB、AMK、Banmuller、Bosch、Indramat、Siemens、PacificScientific等幾家公司。到了1994年，SERCOS成為控制器與數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)并作為IEC61491標(biāo)準(zhǔn)獲得通過，因此具有開放性，迄今成員已增加到70多個公司。與此同時，開發(fā)了相應(yīng)的ASIC芯片、SERCON816，傳輸速度為2/4/8/16Mbit/s，SERCOS與其它串行現(xiàn)場總線相比，有效數(shù)據(jù)傳輸率高，例如Ethement以100Mbit/s速度傳輸數(shù)據(jù)時，有效數(shù)據(jù)傳輸率為5～10Mbit/s；SERCOS以16Mbit/s速度傳輸數(shù)據(jù)時，有效數(shù)據(jù)傳輸率為11Mbit/s。CAN(controllerAreaNetwork)用于運動控制時，必須提供額外的存儲緩沖器及信號管理資源，其成本大約是SERCOS接口的2倍，另一個特點是它的光纖噪聲抑制能力強、傳輸可靠性高。雖然SERCOS接口初終是為CNC與數(shù)字伺服接口而開發(fā)，迄今已被廣泛應(yīng)用于通用運動控制器與數(shù)字伺服之間的接口。2012年已能滿足在2ms內(nèi)，使一臺控制器與多達(dá)32個伺服系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。SERCOS為數(shù)字伺服網(wǎng)絡(luò)化鋪就了一條寬闊大道，可以預(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，帶有SERCOS接口的伺服系統(tǒng)將會進入家庭、辦公室、工廠車間乃至各個與伺服應(yīng)用相關(guān)的領(lǐng)域。力士樂Indramat公司在1999年之所以占據(jù)北美伺服驅(qū)動市場10.5%的份額、位居位，一方面是該公司在應(yīng)用工程、銷售、服務(wù)及用戶支持方面的加強，另一個主要因素是承諾開放結(jié)構(gòu)——SERCOS。

輕質(zhì)(如銅、木材、鋁合金等)、復(fù)合材料在汽車、家電、AF業(yè)中的大量使用，對高速、高效加工提出了新的要求。為了適應(yīng)這一需求，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼推出直線電機、高速主軸電機，而且付諸實用。對于直線電機而言，其控制技術(shù)與傳統(tǒng)的交流伺服電機相差不多，但由于直線電機本身沒有轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)動體，因而本身慣量小，所以具有高動態(tài)響應(yīng)性，而檢測元件直接安裝于機械一側(cè)，從而檢測工作臺的位移，也避免了旋轉(zhuǎn)電機在方向改變時所存在的換向間隙，滿足了高速、高精密加工對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求。從IMTS’2000展覽會來看，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家在高速加工技術(shù)方面處于水平，IBAG公司已向業(yè)界提供0.125～185kW，高轉(zhuǎn)速為14,000r/min的系列化高速內(nèi)裝式主軸系統(tǒng)，徑向、軸向重復(fù)精度小于1µm，電機軸承有混合陶瓷軸承、液靜承、磁浮軸承三種，采用水管冷卻，且內(nèi)置位置傳感器供加工中心ATC之用。主軸驅(qū)動采用矢量變頻技術(shù)，已在模具加工、高精密電極加工、鋁質(zhì)零件加工、高精度磨削加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，F(xiàn)isher公司也有類似產(chǎn)品。