直线进给伺服驱动技术及其控制模式（一）

　　从数控机床的诞生到现在，其进给驱动技术经历了由步进电机驱动的开环伺服驱动系统、闭环直流伺服系统、及目前广泛应用的交流伺服系统三个阶段。虽然进给驱动技术在不断发展变化，但其基本的传动形式始终是“旋转电动机+滚珠丝杠”模式，对于刀具和工作台等被控对象是直线形式的运动路径，只能借助于机械变换中间环节“间接从数控机床的诞生到现在，其进给驱动技术经历了由步进电机驱动的开环伺服驱动系统、闭环直流伺服系统、及目前广泛应用的交流伺服系统三个阶段。虽然进给驱动技术在不断发展变化，但其基本的传动形式始终是“旋转电动机+滚珠丝杠”模式，对于刀具和工作台等被控对象是直线形式的运动路径，只能借助于机械变换中间环节“间接”地获得最终的直线运动，由此带来一系列的问题：首先，中间变换环节导致传动系统的刚度降低，尤其细长的滚珠丝杠是刚度的薄弱环节，起动和制动初期的能量都消耗在克服中间环节的弹性变形上，而且弹性变形也是数控机床产生机械谐振的根源。

　　其次，中间环节增大了运动的惯量，使系统的速度、位移响应变慢; 而制造精度的限制，不可避免地存在间隙死区与磨擦，使系统非线性因素增加，增大了进一步提高系统精度的难度。

　　随着大功率电力半导体技术的发展和计算机技术的发展，控制器件和控制原则的不断更新和完善，特别是PWM调制技术的广泛应用，使得采用三环结构(位置环、速度环和电流环)的位置伺服系统的控制理论和技术日臻成熟，在实现快速、准确定位等方面已达到相当高的水准。但随着高速和超高速精密加工技术的迅速发展，要求数控机床有一个反应快速灵敏、高速轻便的进给驱动系统。而传统的驱动方式所能达到的最高进给速度与超高速切削要求相差甚远。为适应现代加工技术发展的需要，采用直线伺服电动机直接驱动工作台来替代“旋转电动机+滚珠丝杠”模式，从而消除中间变换环节的直线进给伺服驱动新技术应运而生。

　　一、直线进给伺服驱动技术及其应用现状

　　直线进给伺服驱动是采用直线交流伺服电动机实现。直线交流伺服电动机可视为将旋转电动机定子沿径向剖开，并将圆周展开成直线作初级，用一导电金属平板代替转子作次级，就构成了直线电动机。在初级中嵌入三相绕组制成动子，与机床移动工作台相连，次级作为定子固定在机床导轨上，两者之间保持约1mm的气隙。目前已开始应用于数控机床上的直线电动机主要有感应式直线交流伺服电动机和永磁式直线交流伺服电动机。

　　1. 感应式直线交流伺服电动机

　　感应式直线交流伺服电动机通常由SPWM变频供电，采用次级磁场定向的矢量变换控制技术，对其运动位置、速度、推力等参量进行快速而又准确的控制。由于感应式直线伺服电动机的初级铁心长度有限，纵向两端开断，在两个纵向边缘形成“端部效应”(end effect)，使得三相绕组之间互感不相等，引起电动机的运行不对称。消除这种不对称的方法有三种：

　　同时使用三台相同的电动机，将其绕组交叉串联，这样可获得对称的三相电流;

　　对于不能同时使用三台电动机的场合，可采用增加极数的办法来减小各相之间的差别;

　　在铁心端部外面安装补偿线圈。

　　2. 永磁式直线伺服电动机

　　永磁式直线伺服电动机的次级是采用高能永磁体，电动机采用矩形波或正弦波电流控制，由IGBT组成的电压源逆变器供电，PWM调制。当向动子绕组中通入三相对称正弦电流后，直线电动机产生沿直线方向平移并呈正弦分布的行波磁场，与永磁体的励磁磁场相互作用产生电磁推力，推动动子沿行波磁场运动的相反方向作直线运动。其控制系统的基本结构是PID组成的速度?电流双闭环控制，直接受控的是电流，通常采用id=0的控制策略，使电磁推力与id具有线性关系。

　　二、直线进给伺服驱动技术最大的优点

　　直线进给伺服驱动技术最大的优点是具有比旋转电动机大得多的加、减速度(可达10～30倍)，能够在很高的进给速度下实现瞬时达到设定的高速状态和在高速下瞬时准确停止运动。加减速过程的缩短，可改善加工表面质量，提高刀具使用寿命和生产效率;减少了中间环节，使传动刚度提高，有效地提高了传动精度和可靠性，而且进给行程几乎不受限制。

　　三、直线进给伺服驱动的应用现状

　　作为一种崭新的进给驱动技术，其优越的高速性能和极高的动态性能，使其在生产当中迅速得到广泛应用。在上个世纪90年代中期：

　　首先由德国Excello公司开发的XHC240型高速卧式加工中心，3个进给轴均首次采用感应式直线交流伺服电动机直接驱动;

　　接着美国Ingersoll铣床公司生产的高速卧式加工中心HVM4800和HVM600,X、Y、Z轴均采用永磁式同步直线伺服电动机驱动;

　　日本三井精机公司生产的高速工具磨床，上下快速移动的Z轴亦是采用直线伺服电动机驱动。特别是在1999年的巴黎国际EMO(Electromechanical optical)博览会上展出的高速加工中心，最高速度达400m/min，成为新一代数控机床的代表性技术。

　　我国台湾省上银科技公司也已将直线伺服电动机用于三坐标测量机上，实现三轴直接驱动。

　　现在世界各国的著名机床制造商(如日本的Mazak公司和韩国的大宇公司)都纷纷推出直线伺服电机驱动的数控机床，而德国的DMG公司在2001年便已销售采用直线伺服电机驱动的数控机床约1000台，2002年达到近2000台。各种迹象表明，直线伺服电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。

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