第6章数控伺服系统6﹒1概述数控机床伺服系统是数控系统的重要组成部分,它是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。在数控机床中，伺服系统是数控装置和机床主机的联系环节，接收CNC装置插补器（由硬件或软件组成）发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大由伺服电机带动传动机构，最后转化为机床的直线或转动位移。由于伺服系统中包含了大量的电力电子器件，并应用反馈控制原理和许多其它新技术，因此系统结构复杂，综合性强。在一定意义上，伺服系统的静、动态性能，决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率。因此，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。6.1.1伺服系统的组成数控伺服系统由伺服电机（M）、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、电流调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置（如光电脉冲编码器G等）组成。一般闭环伺服系统的结构如图6.1所示。这是一个三环结构系统，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。CNC位置调解速度调解电流调解转换驱动M工作台电流反馈G速度反馈位置反馈图6.1伺服系统结构图位置环由位置调节控制模块、位置检测和反馈控制部分组成。速度环由速度比较调节器、速度反馈和速度检测装置（如测速发电机、光电脉冲编码器等）组成。电流环由电流调节器、电流反馈和电流检测环节组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。位置控制主要用于进给运动坐标轴，对进给轴的控制是要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度的控制有严格要求，而且在多轴联动时，还要求各进给运动轴有很好的动态配合，才能保证加工精度和表面质量。位置控制功能包括位置控制、速度控制和电流控制。速度控制功能只包括速度控制和电流控制，一般用于对主运动坐标轴的控制。6.1.2对伺服系统的基本要求伺服系统为数控系统的执行部件，不仅要求稳定地保证所需的切削力矩和进给速度，而且要准确地完成指令规定的定位控制或者复杂的轮廓加工控制。对伺服系统的基本要求如下：1．精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。作为数控加工，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，定位精度一般允许的偏差为0﹒01～0﹒001mm，甚至2210﹒1µm。轮廓加工精度与速度控制、联动坐标的协调一致控制有关。在速度控制中，要求较高的调速精度，具有比较强的抗负载扰动能力。即对静态、动态精度要求都比较高。2．稳定性好稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态，对伺服系统要求有较强的抗干扰能力。稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。3．快速响应快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。一方面要求过渡过程（电机从静止到额定转速）时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面要求超调要小。这二方面的要求往往是矛盾的，实际应用中要采取一定措施，按工艺加工要求做出一定的选择。4．调速范围宽调速范围Rn是指生产机械要求电机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比。通常表示为nmaxRn=nmin式中，nmax和nmin一般是指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，也可以是实际负载时的转速。在数控机床中，由于加工用刀具，被加工材质及零件加工要求的不同，伺服系统需要具有足够宽的调速范围。目前，先进的水平是，在分辨率为1µm的情况下，进给速度范围为0～240m/min，且无级连续可调。但对于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统在0～24m/min进给速度范围内都能工作就足够了。伺服控制系统的总体控制效果是由位置控制和速度控制一起决定的（也包括电流控制）。对速度控制不过份地追求像位置控制那么大的控制范围。否则，速度控制单元将会变得相当复杂。这将提高成本，又将降低可靠性。一般来说，在总的开环位置增益为20（l/s）时，只要保证速度单元具有1:1000的调速范围就完全可以满足要求。当然，代表当今先进水平的速度控制单元的技术已可达到1:100000的调速范围。主轴伺服系统主要是速度控制，它要求低速（额定转速以下）恒转矩调速具有1:100～1000调速范围，高速（额定转速以上）恒功率调速具有1:10以上的调速范围。5．低速大转矩机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速