發(fā)展我國(guó)伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)的探討

      作為數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，伺服驅(qū)動(dòng)裝置的特性一直是影響數(shù)控機(jī)床加工性能的重要指標(biāo)。圍繞伺服驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展了多種伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)絡(luò)接口的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直線伺服系統(tǒng)及高速電主軸等成為機(jī)床行業(yè)的關(guān)注熱點(diǎn)，并成為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

    一、交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)裝置

    伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)經(jīng)過(guò)了直流伺服裝置、直流無(wú)刷伺服裝置和交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)裝置三個(gè)階段。隨著現(xiàn)代制造業(yè)規(guī)?；a(chǎn)對(duì)加工設(shè)備提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)裝置具有高響應(yīng)、免維護(hù)(無(wú)炭刷、換向器等磨損元部件)、高可靠性等特點(diǎn)。它采用微處理技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)、電機(jī)永磁材料制造工藝和具有較好的性能價(jià)格比，成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)之一。

    從2005年德國(guó)漢諾威展覽會(huì)，可以看到伺服驅(qū)動(dòng)裝置的兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：

    1. 全數(shù)字化

    全數(shù)字化是未來(lái)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。全數(shù)字化不僅包括伺服驅(qū)動(dòng)內(nèi)部控制的數(shù)字化，伺服驅(qū)動(dòng)到數(shù)控系統(tǒng)接口的數(shù)字化，而且還應(yīng)該包括測(cè)量單元數(shù)字化。因此伺服驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部三環(huán)的全數(shù)字化、現(xiàn)場(chǎng)總線連接接口、編碼器到伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化連接接口，是全數(shù)字化的重要標(biāo)志。

    隨著微電子制造工藝的日益完善，采用新型高速微處理器，特別是數(shù)字信號(hào)處理器—DSP技術(shù)，使運(yùn)算速度呈幾何級(jí)數(shù)上升。伺服驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的三環(huán)控制(位置環(huán)/速度環(huán)/電流環(huán))數(shù)字化是保證伺服驅(qū)動(dòng)高響應(yīng)、高性能和高可靠性的重要前提。伺服驅(qū)動(dòng)所有的控制運(yùn)算，都可由其內(nèi)部的DSP完成，達(dá)到了伺服環(huán)路高速實(shí)時(shí)控制的要求。一些產(chǎn)品還將電機(jī)控制的外圍電路與DSP內(nèi)核集成于一體，一些新的控制算法速度前饋、加速度前饋、低通濾波、凹陷濾波等得以實(shí)現(xiàn)。

    伺服驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的模擬量控制接口，容易受到外部信號(hào)干擾，傳輸距離短。我國(guó)目前伺服驅(qū)動(dòng)裝置上大量采用的脈沖式控制接口，也不是真正意義上的數(shù)字接口。這種接口受脈沖頻率的限制，不能滿足高速、高精控制的要求。而采用現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字化控制接口，是伺服驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)高速、高精控制的必要條件。因此，近年來(lái)外國(guó)公司紛紛推出各自的數(shù)字接口協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，如日本發(fā)那科公司推出串行伺服總線(FSSB)，德國(guó)西門子公司推出Profibus-DP總線，日本三菱推出CC-link總線，德國(guó)力施樂(lè)推出SERCOS總線。

    全數(shù)字化已經(jīng)延伸到測(cè)量單元接口的數(shù)字化。德國(guó)HEIDENHAIN將各種類型的編碼器，如絕對(duì)、增量式和正余弦編碼器的細(xì)分功能，都統(tǒng)一到EnDae2.2編碼器連接協(xié)議中。細(xì)分過(guò)程在編碼器內(nèi)部完成，再通過(guò)數(shù)字接口和伺服驅(qū)動(dòng)連接起來(lái)，這才是真正的全數(shù)字化。

    2. 高性能

    表現(xiàn)為高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高剛性、高過(guò)載能力、高可靠性、高電磁兼容性、高電網(wǎng)適應(yīng)能力、高性價(jià)比。

    在2005年漢諾威展覽會(huì)上，日本發(fā)那科推出了HRV4伺服控制控制技術(shù)。伺服HRV4繼承并進(jìn)一步發(fā)展了HRV3的優(yōu)點(diǎn)，具有如下特點(diǎn)：在任何時(shí)刻，均采用納米層次的位置指令，使用1600萬(wàn)/轉(zhuǎn)的αi 高分辨率的脈沖編碼器，可以實(shí)現(xiàn)納米精度的伺服控制；HRV4超高速伺服控制處理器，所控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到60000r/min；HRV4控制算法，可使得伺服電機(jī)的最大控制電流減少50％，并減少電機(jī)發(fā)熱17％，因此，伺服驅(qū)動(dòng)裝置可以獲得更高的剛性和過(guò)載能力。

    各公司對(duì)伺服的動(dòng)態(tài)特性更加關(guān)注。如海德漢公司在2005年漢諾威展覽會(huì)上，展示了不同分辨率的編碼器對(duì)扭矩脈動(dòng)的影響，揭示了提高編碼器分辨率，可以大大減少伺服驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

    電子電力技術(shù)的發(fā)展，使得伺服系統(tǒng)主電路功率元件的開(kāi)關(guān)頻率由2～5kHz提高到10kHz以上，大功率絕緣柵門雙極性晶體管(IGBT)和智能控制功率模塊(IPM)等先進(jìn)器件的采用，大大減少了伺服驅(qū)動(dòng)器輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和平穩(wěn)性，降低了運(yùn)行噪音。這些不僅為交流伺服全數(shù)字化、高速度、高精度奠定了基礎(chǔ)，還使得交流伺服系統(tǒng)趨于小型化。

    二、直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)(Direct Drive)

    大推力直線伺服驅(qū)動(dòng)裝置、大轉(zhuǎn)矩力矩伺服驅(qū)動(dòng)裝置與傳統(tǒng)的螺旋傳動(dòng)方式相比，直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)最大特點(diǎn)是取消了電動(dòng)機(jī)到移動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)之間的一切機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，即把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零。這種“零傳動(dòng)”方式，帶來(lái)了螺旋傳動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)，如加速度可達(dá)3g以上，為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的10～20倍，進(jìn)給速度是傳統(tǒng)的4～5倍。

    直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)是高速高精數(shù)控機(jī)床的理想驅(qū)動(dòng)模式，受到機(jī)床廠家的重視，技術(shù)發(fā)展迅速。近年來(lái)，國(guó)際上幾十家公司展出了直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速機(jī)床，一些制造廠商已將機(jī)床運(yùn)動(dòng)加速度提高到2～3g，快速移動(dòng)速度提高到150～240m/min。MAZAK公司將推出基于直線伺服系統(tǒng)的超音速加工中心，切削速度8馬赫，主軸最高轉(zhuǎn)速80000r/min, 快速移動(dòng)速度500m/min, 加速度6g。這標(biāo)志著，以直線伺服為代表的第二代高速機(jī)床，已克服了直線電機(jī)的發(fā)熱、防護(hù)和成本高的缺點(diǎn)，逐步走向?qū)嵱谩?/span>

    2005年底，作者參觀了日本森精機(jī)的工廠，印象最深的是:森精機(jī)的機(jī)床產(chǎn)品上已大量使用自制的大轉(zhuǎn)矩力矩伺服驅(qū)動(dòng)裝置。與傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)相比，大轉(zhuǎn)矩力矩伺服驅(qū)動(dòng)裝置使得機(jī)床的回轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速大大提高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)大大提高。

    三、高速電主軸

    電主軸是電動(dòng)機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物。它將主軸電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件內(nèi)部，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，由于取消了齒輪變速箱的傳動(dòng)與電動(dòng)機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)了主軸系統(tǒng)的一體化、“零傳動(dòng)”。因此，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，并可改善機(jī)床動(dòng)平衡，避免振動(dòng)和噪聲，在超高速機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用。電主軸的驅(qū)動(dòng)一般使用矢量控制的變頻技術(shù)。

    國(guó)外高速加工主軸轉(zhuǎn)速一般在12000～25000r/min, 最高達(dá)70000～80000r/min。

    四、我國(guó)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀

    我國(guó)在20世紀(jì)80年代初期通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，又在國(guó)家“七五”、“八五”、“九五”期間對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行重大科技攻關(guān)，取得了一定成果。

    上世紀(jì)80年代，我國(guó)曾花巨資引進(jìn)西門子的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。但由于其引進(jìn)的技術(shù)屬淘汰的落后技術(shù)，自主的消化吸收沒(méi)有突破，導(dǎo)致沒(méi)有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。慘痛的歷史教訓(xùn)使大家明白了一個(gè)硬道理：對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)這樣的戰(zhàn)略高技術(shù)，靠花錢引進(jìn)根本辦不到；盲目效仿國(guó)外，也只會(huì)落后挨打，受制于人；唯一的出路，就是走自主創(chuàng)新之路。

    華中科技大學(xué)是我國(guó)自主創(chuàng)新的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)源地之一?！鞍宋濉逼陂g，華中科技大學(xué)的自控系和電力系分別開(kāi)始了伺服驅(qū)動(dòng)的研發(fā)工作。1996年，自控系與華中數(shù)控合作，共同研制基于單片機(jī)的模擬數(shù)字混合式(電流環(huán)是模擬量)交流伺服驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)(HSV-9系列)，后來(lái)又開(kāi)發(fā)了基于DSP的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置(HSV-16/18/20)并投入大批量生產(chǎn)。到目前為止已累計(jì)生產(chǎn)銷售30000多臺(tái)，被評(píng)為國(guó)家攻關(guān)重大成果和國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品。華中科技大學(xué)電力系與廣州數(shù)控、上海開(kāi)通數(shù)控合作，研制的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

    北京航天數(shù)控公司生產(chǎn)的DSCU系列全數(shù)字伺服控制單元和DSSU系列全數(shù)字主軸控制單元、北京凱奇數(shù)控設(shè)備成套有限公司生產(chǎn)的全數(shù)字伺服控制單元和全數(shù)字主軸控制單元及電機(jī)也已經(jīng)得到了大規(guī)模應(yīng)用，進(jìn)給伺服功率范圍20W～7.5kW，主軸伺服功率范圍3.5kW～22kW，可以滿足企業(yè)實(shí)際需要。

    北京時(shí)光科技公司自主研發(fā)的“全數(shù)字化交流伺服控制技術(shù)”，采用32位微處理器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)級(jí)芯片和智能化功率器件，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相交流異步電機(jī)（鼠籠式電動(dòng)機(jī)）的高精度伺服控制?；诖隧?xiàng)技術(shù)研制生產(chǎn)的IMS系列伺服控制器可通過(guò)編程方式，靈活、準(zhǔn)確地對(duì)電機(jī)的位置、轉(zhuǎn)速、加速度和輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)高精度控制，其產(chǎn)品能廣泛應(yīng)用于機(jī)床、電梯、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料機(jī)械、搬