机床进给系统和主轴系统的发展趋势

1．微电子技术发展促进了控制智能化

    随着微电子技术、大规模集成电路制造工艺和计算机技术的发展，高性能的微处理器（MPU）、大规模集成电路（LSIC）芯片、表面安装器件（SMD）等为实现数字化控制提供了硬件基础，不仅使控制电路体积大大缩小，而且通过控制软件可以实现更加灵活、复杂的控制方法，在不增加或很少增加硬件设备的前提下，可满足不同场合的需要，充分体现数字控制高度智能化和柔性的优点。

    2．电力电子技术开创了机床驱动新局面     电力电子技术的日新月异的发展，也为交流电动机调速性能的不断提高奠定了基础。电力电子技术是以电力为对象的电子技术，它的主要任务是对电能进行控制和变换。它是用半导体电力电子器件进行功率变换、控制及开关电路的应用技术。
    现代电力电子技术有如下特点：①大容量化（即高电压、大电流）；②高频化（即开关速度高）；③易驱动（电压驱动）；④低压降（即损耗低）；⑤模块化；⑥功率集成化（即将驱动、保护、检测甚至控制等功能集成于一体）；⑦全控化（即器件的自关断性）；⑧控制技术数字化，从而使以PWM控制为代表的采用数字控制的电力电子装置性能日趋完善。各种PWM技术的应用，以及谐振软开关技术的深入研究，使逆变器的性能从单目标优化逐步向系统整体性能优化方向发展。第三代智能功率模块（IPM）的出现，大幅度改善了逆变器的性能，大大缩小了体积。下一代的功率模块将具备直接与控制信号接口的能力，内部集成了多个高速光耦、多路驱动电源、电压、电流的检测和保护等功能，被称之为“System-In module”，从而使逆变器构成将更简单、更可靠，体积也将更小。     3．现代控制理论使交流调速成为现实     由于交流电动机的数学模型较直流电动机复杂得多，具有非线性、强耦合、多变量的特点，应用经典控制理论很难控制交流电动机，而现代控制理论的发展对交流电动机控制技术的发展起到了极大的推动作用。
    采用状态观察器和卡尔曼滤波器可以进行电动机参数的在线辨识；采用滑模变结构控制可增强电动机控制系统的鲁棒性。如能将各种智能控制理论有机地结合起来，必将开创交流调速的新天地。如模糊控制和神经元网络控制都不需要精确的对象模型和参数，使系统具有很强的鲁棒性。其中，模糊控制能强迫电流以类似于BANG－BANG响应方式趋于期望点，做到快速响应，但当误差较小时，难以控制精确定位，且易振荡；而神经元网络控制却具有能精确地实现伺服信号跟踪且无超调，但由于神经网络具有固有的梯度计算，使响应时间变长，电流响应较早退出饱和。因此，如能将上述两者有机地结合起来，使其在不同的误差域内发挥各自优点，取长补短，则可望实现期望控制。     4．利用串行伺服总线的数字化通信使机床驱动系统更上一层楼     CNC与数字伺服之间串行通信使两者之间实现了高速传输串行数据。甚至用一根光缆（它具有直径小、重量轻、抗干扰能力强的特点）可直接连接多台伺服驱动器。如果建立一个国际上公认的CNC与数字伺服驱动器之间统一数据交换接口（类似于德国的SERCOS接口协议），则有提供产品互换的可能性。     5．多种控制方法应用于一体     在许多国外厂商生产的伺服系统中，将串行通信以及多种控制方法集中应用在一个产品中。如日本FANUC公司在伺服控制中采用高速DSP（Digital Signal Processor）进行数值计算来实现“直线性”、“稳定性”和“重复性”。利用前馈控制（Feed Forward）（框图见图19－18）、插补前钟形加／减速以及自动拐角减速方案之后，克服了模拟伺服和一般数字伺服的响应滞后现象，响应和精度都得到明显的改善，轮廓误差减到1／100，而且定位时间也大为缩短，在典型钻削循环中循环时间可减少30％。

图19－18  前馈控制框图

   因机床工作台具有摩擦、电动机旋转反向造成响应延迟以及圆弧切削在过象限时的凸起，都造成加工误差，使精度变坏。而在最新的数字伺服软件中，考虑到这些因素，利用预补偿来减少这个圆度误差，并实现了高速度环增益而无振动。     6．传感器检测技术的发展大幅度地提高了伺服系统的性能     传感器检测技术的发展也极大地提高了交流电动机调速系统的动态响应性能和定位精度。普遍采用的电压型和电流型霍尔传感器具有小于1μs的响应时间。交流电动机调速系统一般选用无刷旋转变压器、混合型的光电编码器和绝对值编码器作为位置、速度传感器。随着它们的转速、分辨率的不断提高，系统的动态响应、调速范围以及低速性能也相应提高。传统的具有A、B相信号的编码器，由于它不能兼顾分辨率和高速度，且信号线太多，从而影响了高精度、高速度的伺服系统的实现。而新型的编码器则克服了上述缺点，如日本FANUC公司生产的脉冲编码器（绝对型），由于它将来自SIN和COS信号的角度转化成数字量，使它具有4000r/min的高速以及高达1000000脉冲／r或65536脉冲／r的分辨率。另外，伺服电动机本身也在向高速方向发展，与上述高速编码器配合实现了60m/min甚至100m/min的快速进给和1g的加速度。而在电动机磁路设计上又做了改进，使电动机旋转更加平滑，再配合高速数字伺服软件，可使电动机即使在小于1μm转动时也显得平滑而无爬行。
    交流主轴电动机为满足机床加工工艺以及主轴需要，现在都在向高速化方向发展，12000r/min的转速已是正常的指标。主轴系统所用的位置编码器分辨率也已达到360000脉冲／r。     7．直线电动机的出现打破了传统的结构     直线电动机驱动机构，无论是在国外还是国内都在积极的研究、探索之中，将会是下一代数控机床的一个显著特色。这是因为迄今为止的驱动系统都是由旋转电动机、齿轮箱或联轴器、丝杠和驱动螺母、丝杠支座轴承等构成，而它们都影响甚至限制了机床的性能。例如：电动机本身有最大转速的限制，随着速度增加，电动机输出转矩下降；在高的加速度下电动机轴会产生扭曲甚至变形和位置误差。齿轮箱则会增加系统惯性，产生间隙；如电动机与丝杠直接连接，则会产生扭曲变形、间隙及滞后；丝杠本身受临界转速、间隙、扭曲、螺距误差、摩擦等影响，且其振动衰减时间很长。而直线电动机驱动机构则没有上述缺点，能达到快速移动（可以达到120m/min甚至200m/min的速度）和较短的位置稳定时间，且能进一步减少机床不进行实际切削加工的非生产时间。由于直线电动机驱动机构仅由两个互不接触部件组成，没有低效率的中间传动部件，也无机械滞后以及螺距误差，从而可达到高的效率，且其精度完全取决于反馈系统和轴承。当用全数字伺服系统驱动直线电动机时，可达到高刚度和高固有频率，从而达到极好的伺服性能。要使直线电动机走向实用，尚须解决：①磁铁吸引金属颗粒问题，亦即要解决密封磁轨等电动机结构问题；②新的反馈元件的研究；③当应用于机床垂直轴时要解决制动或平衡问题；④如何减少数字放大器的发热及提高效率等一系列问题。     8．统一型驱动器的出现打破了传统的概念     变频调速由于具有高集成度和多功能特点，以及它的可靠性、免维护、高效、高功率因数、操作简单、抗干扰能力强等优点，而越来越得到广泛的应用。变频调速尤其适用于风机和水泵，它能节约可观的电能，如对70％的水泵和风机用的电动机进行改造，可实现年节电1000亿kW·h的能力。而以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）和IPM等新器件为基础的新一代高载波、低噪声变频器的开发，以及新的控制软件的引入，把变频调速引入了一个全新的领域，使原来仅用于开环控制的变频器演变成了既能用于开环控制，也能用于闭环控制的称之为“统一型驱动器”。以英国的CT公司的Unidrive产品和德国AMK公司的AMKASYN产品为代表，使变频器登上了新的舞台。下面以CT公司的Unidrive产品为例，给予简单的介绍。
    CT公司在1996年推出了统一型驱动器系列产品。它的控制板主要由Intel80166CPU、快闪存储器以及3片CT公司设计的专用芯片组成，硬件高度集成化，控制板芯片数量仅为当前市场上通用变频器的1／4。它按功率可分成5个等级，其中等级1（输出功率为0.75～4kW）为基本单元，等级5额定功率为120kW（它由基本单元加上扩展功率单元组成），最多可8台并联，组成1000kW功率输出。
    统一型驱动器配置有大量的参数和20个菜单功能，便于用户在不改变硬件配置的条件下，可由用户方便地设置成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。它的部分动态和静态指标如表19－2所示。 <DIV class=blk14 align=center>表19－2  统一型驱动器部分指标</DIV>控  制  方  式电流环带宽／Hz输出额定转矩
时的最低频率／Hz速度调整率
（静差）V／F502～32％～3％

无速度传感器开环矢量控制

30011％

闭环磁通矢量控制

50000.01%

永磁无刷交流伺服电动机控制

100000.01%    统一型驱动器的无速度传感器开环矢量控制方式、闭环磁通矢量控制方式以及永磁无刷交流伺服电动机控制方式框图如图19－19～图19－21所示。

图19－19  无速度传感器开环矢量控制方式

图19－20  闭环磁通矢量控制方式

图19－21  永磁无刷交流伺服电动机控制方式

    常规开环驱动不用闭环电流控制，基速以下按线性V－F特性使电压与频率成正比，基速以上保持电压恒定，参考坐标一般按电动机磁通定向。在统一驱动器开环矢量方式中，参考坐标依据定子电阻电压降来定向。因此，在稳态条件下，X轴是以与定子相连的磁通来定向的，I_sx为励磁电流分量，I_SY为有功电流分量。基速以下，I_SY与转矩成正比，但在5Hz以下，精度就很差。在暂态过程中，为保证V－F特性输出定向正确，在确定电动机端电压之前，对X－Y轴方向的定子电阻电压降进行补偿，为了在10Hz以下时还能稳定工作，采取在X轴上加固定补偿，而在Y轴上加可变补偿的方法。为了避免在暂态条件下（暂态加载或快加速）出现过电流跳闸，所以在图19－19中加入了峰值电流限幅和电流限幅。电流限幅是通过修正斜坡函数输出的频率给定来实现的，这种方法是减小电动机有功电流，也即减小产生转矩的电流。为防止加速过快引起过电流的峰值电流限幅控制，当总电流超过限幅值时，修正输出电压到适当值，使电流在峰值限幅以内，当电流没有超过时，限幅器不起作用，它的输入和输出相等。作为电流反馈，首先将两相电流值转换成等效的一组正交电流I_SD和I_SQ，然后再转换成参考坐标中的X轴和Y轴分量。X轴分量仅用于峰值电流限幅，Y轴分量（有功电流）用于峰值电流限幅、电流限幅以及转差补偿。
    在闭环磁通矢量控制方式中，需要一台增量式编码器作为位置反馈，当然也可用绝对式编码器。控制系统根据U_SX和U_SY的给定值，产生IGBT的控制信号，并且像开环驱动一样计算出X轴和Y轴的电流反馈。但是，所用的参考坐标中的X轴是以电动机转子磁通来定向的，因而I_sx、I_SY分别为定子电流的励磁电流分量和转矩电流分量。速度给定与速度反馈的偏差作为速度控制器输入，其输出为转矩给定，经转矩／电流变换后得到转矩电流给定I_SY^*_。磁通控制器输出励磁电流给定，基速以下磁通控制器输出I_SX^*就等于电动机额定励磁电流，基速以上，I_SX^*随转速的增加而减小。I_SX^*与I_SX的偏差以及I_SY^*与I_SY的偏差，分别经过励磁电流控制器和转矩电流控制器的运算后，输出X－Y坐标系中的电压分量U_SX和U_SY。闭环磁通矢量方式在任一速度上给出良好的转矩控制特性和快速的瞬态响应，也不需要对直流母线电压进行补偿，闭环电流控制将自动完成这些补偿。这种前馈补偿有助于直流母线电压大幅度波动时维持调制增益恒定。
    永磁无刷交流伺服电动机控制方式用于带有绝对位置反馈的永磁同步电动机，其控制系统与闭环矢量驱动相似，只有两点不同。一是X－Y坐标中的X轴以转子磁通定向，由于电动机转子是永磁的，励磁电流给定I_SX^*为零；二是转子轴上的绝对编码器可直接检测转子对固定坐标系的相位角θ_r，亦即转子磁通角直接来自转子位置。永磁无刷交流伺服电动机控制方式用于要求频繁起制动、零速有保持转矩、大起动转矩、按预定速度或转矩运行等系统中，如剪切、机床、自动定位系统、自动焊接系统等一类驱动系统中。
    统一型驱动器的出现，将大大降低机床用进给系统和主轴系统的硬件成本。