直線進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其控制模式

從數(shù)控機(jī)床的誕生到現(xiàn)在，其進(jìn)給驅(qū)動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)、及目前廣泛應(yīng)用的交流伺服系統(tǒng)三個(gè)階段。雖然進(jìn)給驅(qū)動(dòng)技術(shù)在不斷發(fā)展變化，但其基本的傳動(dòng)形式始終是“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠”模式，對于刀具和工作臺(tái)等被控對象是直線形式的運(yùn)動(dòng)路徑，只能借助于機(jī)械變換中間環(huán)節(jié)“間接”地獲得終的直線運(yùn)動(dòng)，由此帶來一系列的問題：

首先，中間變換環(huán)節(jié)導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度降低，尤其細(xì)長的滾珠絲杠是剛度的薄弱環(huán)節(jié)，起動(dòng)和制動(dòng)初期的能量都消耗在克服中間環(huán)節(jié)的彈性變形上，而且彈性變形也是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生機(jī)械諧振的根源。其次，中間環(huán)節(jié)增大了運(yùn)動(dòng)的慣量，使系統(tǒng)的速度、位移響應(yīng)變慢； 而制造精度的限制，不可避免地存在間隙死區(qū)與磨擦，使系統(tǒng)非線性因素增加，增大了進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度的難度。

隨著大功率電力半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，控制器件和控制原則的不斷更新和完善，特別是PWM調(diào)制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得采用三環(huán)結(jié)構(gòu)(位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán))的位置伺服系統(tǒng)的控制理論和技術(shù)日臻成熟，在實(shí)現(xiàn)快速、定位等方面已達(dá)到相當(dāng)高的水準(zhǔn)。但隨著高速和超高速精密加工技術(shù)的迅速發(fā)展，要求數(shù)控機(jī)床有一個(gè)反應(yīng)快速靈敏、高速輕便的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。而傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式所能達(dá)到的進(jìn)給速度與超高速切削要求相差甚遠(yuǎn)。為適應(yīng)現(xiàn)代加工技術(shù)發(fā)展的需要，采用直線伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)來替代“旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠”模式，從而消除中間變換環(huán)節(jié)的直線進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

直線進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀，直線進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)是采用直線交流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。直線交流伺服電動(dòng)機(jī)可視為將旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)定子沿徑向剖開，并將圓周展開成直線作初級，用一導(dǎo)電金屬平板代替轉(zhuǎn)子作次級，構(gòu)成了直線電動(dòng)機(jī)。在初級中嵌入三相繞組制成動(dòng)子，與機(jī)床移動(dòng)工作臺(tái)相連，次級作為定子固定在機(jī)床導(dǎo)軌上，兩者之間保持約1mm的氣隙。目前已開始應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上的直線電動(dòng)機(jī)主要有感應(yīng)式直線交流伺服電動(dòng)機(jī)和永磁式直線交流伺服電動(dòng)機(jī)。

感應(yīng)式直線交流伺服電動(dòng)機(jī)通常由SPWM變頻供電，采用次級磁場定向的矢量變換控制技術(shù)，對其運(yùn)動(dòng)位置、速度、推力等參量進(jìn)行快速而又的控制。由于感應(yīng)式直線伺服電動(dòng)機(jī)的初級鐵心長度有限，縱向兩端開斷，在兩個(gè)縱向邊緣形成“端部效應(yīng)”(end effect)，使得三相繞組之間互感不相等，引起電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行不對稱。消除這種不對稱的方法有三種：同時(shí)使用三臺(tái)相同的電動(dòng)機(jī)，將其繞組交叉串聯(lián)，這樣可獲得對稱的三相電流； 對于不能同時(shí)使用三臺(tái)電動(dòng)機(jī)的場合，可采用增加極數(shù)的辦法來減小各相之間的差別； 在鐵心端部外面安裝補(bǔ)償線圈。

永磁式直線伺服電動(dòng)機(jī)的次級是采用高能永磁體，電動(dòng)機(jī)采用矩形波或正弦波電流控制，由IGBT組成的電壓源逆變器供電，PWM調(diào)制。當(dāng)向動(dòng)子繞組中通入三相對稱正弦電流后，直線電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生沿直線方向平移并呈正弦分布的行波磁場，與永磁體的勵(lì)磁磁場相互作用產(chǎn)生電磁推力，推動(dòng)動(dòng)子沿行波磁場運(yùn)動(dòng)的相反方向作直線運(yùn)動(dòng)。其控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是PID組成的速度—電流雙閉環(huán)控制，直接受控的是電流，通常采用id=0的控制策略，使電磁推力與id具有線性關(guān)系。