摘要：本文主要介紹埃斯頓PRONET系列全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)針對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床對(duì)交流伺服系統(tǒng)的高速高精度要求而進(jìn)行的技術(shù)創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：交流伺服系統(tǒng)，五軸聯(lián)動(dòng)，技術(shù)創(chuàng)新，高速高精度

一、引言

裝備制造業(yè)是一國(guó)工業(yè)之基石，它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供重要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。即使是發(fā)達(dá)工業(yè)化國(guó)家，也無不高度重視。近年來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的需要，對(duì)高檔的數(shù)控機(jī)床提出了急迫的大量需求。機(jī)床是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的象征，而代表機(jī)床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床對(duì)一個(gè)國(guó)家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力。現(xiàn)在，大家普遍認(rèn)為，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等等加工的唯一手段。 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一，其在國(guó)內(nèi)的發(fā)展還處在初級(jí)階段。目前國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的伺服產(chǎn)品還只能使用在普通的數(shù)控機(jī)床上，定位精度一般在幾個(gè)微米。無論是性能還是可靠性，都不能滿足五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的要求。

埃斯頓公司作為一個(gè)專業(yè)的交流伺服系統(tǒng)研發(fā)及制造廠家，成功取得了江蘇省科技廳“高檔數(shù)控系統(tǒng)、高速高精度伺服控制系統(tǒng)及其典型主流機(jī)床關(guān)鍵共性技術(shù)開發(fā)”的重點(diǎn)科研項(xiàng)目。在此項(xiàng)目中，特別針對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床對(duì)交流伺服系統(tǒng)的高速高精度要求進(jìn)行了深入研究?，F(xiàn)在，終于研制出埃斯頓公司的新一代全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)——PRONET系列。該系列產(chǎn)品功率范圍從0.5kW到15kW，可全系列地覆蓋包括數(shù)控機(jī)床在內(nèi)的各種機(jī)械自動(dòng)控制應(yīng)用行業(yè)。

二、交流伺服系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新

埃斯頓PRONET系列全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)采用了多項(xiàng)新技術(shù)、新工藝，其中主要包括以下幾點(diǎn)：

1、PRONET系列伺服驅(qū)動(dòng)器采用了最新的數(shù)字信號(hào)處理器，其數(shù)據(jù)處理能力由16位提高到32位，主頻提高到百兆以上。在數(shù)字化電流環(huán)路中增加了電流前饋控制，憑借32位數(shù)字信號(hào)處理器的高速運(yùn)算能力，使得電流環(huán)的運(yùn)行時(shí)間大大縮短，只需要十幾微秒的時(shí)間，完全可以和國(guó)外產(chǎn)品通過將控制算法固化在專用硬件環(huán)路來實(shí)現(xiàn)電流環(huán)控制的方法相媲美，通過將電流檢測(cè)的精度提高到16位，使得電流環(huán)的轉(zhuǎn)矩控制精度有了進(jìn)一步的提高，實(shí)現(xiàn)了在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以及瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)均能保持良好的性能。憑借全新的針對(duì)高速高精控制要求而特別設(shè)計(jì)的軟、硬件平臺(tái)，PRONET系列伺服驅(qū)動(dòng)器以最佳的控制大大縮短了調(diào)整時(shí)間，僅為本公司以往產(chǎn)品的1/5，實(shí)現(xiàn)了出類拔萃的響應(yīng)性。

2、新一代的伺服電機(jī)采用了新型的高分辨率串行編碼器，這種編碼器信號(hào)線的數(shù)量減少到5根．并且支持增量型及絕對(duì)值型兩種類型，通信速率為5M，最長(zhǎng)通信周期為16us，編碼器分辨率為17bits／rev，即每轉(zhuǎn)生成131072個(gè)脈沖。將來最高可擴(kuò)展到22bits/rev，即每轉(zhuǎn)生成4194304個(gè)脈沖，從而為納米級(jí)定位控制奠定了基礎(chǔ)。在伺服驅(qū)動(dòng)器中通過大規(guī)?？删幊唐骷⒆灾餮邪l(fā)的串行編碼器數(shù)據(jù)解碼功能和速度實(shí)時(shí)檢測(cè)功能集成為一體。一方面，使電機(jī)的低速性能得到了進(jìn)一步的提高，速度波動(dòng)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)減至最低；另一方面，也提高了定位精度，新的控制算法使位置控制的整定時(shí)間也縮短為原來的1／5。

3、為了使用戶更加靈活地使用伺服系統(tǒng)，PRONET系列伺服驅(qū)動(dòng)器率先增加了可擴(kuò)展性以及柔性化、開放性的設(shè)計(jì)。通過選件模塊，可擴(kuò)展各種通信接口以及各種反饋接口。 1）PROFIBUS-DP總線模塊 對(duì)應(yīng)PROFIBUS-DP通信網(wǎng)絡(luò)。伺服信息（位置、速度、轉(zhuǎn)矩、輸入輸出、報(bào)警等）的讀出和各種指令的變更，可以通過實(shí)時(shí)控制來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)上位控制器可以最多實(shí)現(xiàn)31個(gè)站點(diǎn)的多軸運(yùn)動(dòng)控制。 2）全閉環(huán)選件模塊（研發(fā)中） 伺服控制一般均采用從電機(jī)軸端的位置編碼器采集位置信號(hào)進(jìn)行反饋，即半閉環(huán)控制方式；在受控執(zhí)行機(jī)械部分沒有反饋采樣信號(hào)。PRONET系列伺服驅(qū)動(dòng)器將通過全閉環(huán)選件模塊，為用戶提供全閉環(huán)控制功能，使機(jī)械加工誤差、齒輪間隙、結(jié)構(gòu)受力彈性變形等誤差所造成的影響，在伺服驅(qū)動(dòng)器中通過計(jì)算完成修正。

4、在全數(shù)字環(huán)境下，PRONET系列伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了軟件化伺服控制，并且采用了多項(xiàng)新算法。其控制的主要算法包括電流前饋控制、速度前饋控制、位置前饋控制、變?cè)鲆婵刂啤⒆钥箶_控制、模式跟蹤控制、制振控制、在線慣量自動(dòng)識(shí)別控制等，通過這些功能算法，使其響應(yīng)性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、可操作性達(dá)到了很高的水平，強(qiáng)化了對(duì)超調(diào)的抑制以及對(duì)振動(dòng)的抑制。由于新控制算法的擴(kuò)充，即使低剛性機(jī)械其定位整定時(shí)間亦可縮短1/3（與本公司以往產(chǎn)品相比較）。

5、PRONET系列伺服驅(qū)動(dòng)器徹底追求了使用的簡(jiǎn)便性，自動(dòng)測(cè)定機(jī)械特性并設(shè)置所需要的伺服增益，實(shí)現(xiàn)了“在線自動(dòng)調(diào)整功能”。自動(dòng)的進(jìn)行與機(jī)械特性相吻合的伺服系統(tǒng)的調(diào)整，使伺服系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間縮短，操作更加簡(jiǎn)單。即使初次使用，也可在短時(shí)間內(nèi)完成最佳設(shè)定。

6、PRONET系列伺服驅(qū)動(dòng)器采用主回路與控制回路進(jìn)行電氣隔離的結(jié)構(gòu)，使操作及故障檢測(cè)更加方便安全。并且功率從原來的5kW擴(kuò)展到15kW，其中，0.5-5KW采用三相200V供電，7.5-15kW采用三相400V供電。

7、隨著永磁材料制造工藝的不斷完善，埃斯頓公司新一代的伺服電機(jī)采用了最新的Nd2FeI4B1（銣鐵硼）材料，該材料的剩余磁密，矯頑力、最大磁能積均好于其他永磁材料，再加上合理的磁極、磁路及電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，極大地提高了電機(jī)性能，同時(shí)又縮小了電機(jī)的外型尺寸。伺服電機(jī)的功率范圍從0.5kW到15kW。伺服電機(jī)的電源電壓范圍從200V到400V。

三、未來的展望

全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，用戶對(duì)伺服系統(tǒng)技術(shù)的要求越來越高。因而，未來交流伺服系統(tǒng)必將進(jìn)一步發(fā)展完善。下面就埃斯頓的伺服系統(tǒng)今后的發(fā)展方向作一個(gè)介紹。

1、高性能化 未來的伺服系統(tǒng)在性能方面主要從兩方面開發(fā)進(jìn)行改善。首先提高伺服電機(jī)本體的性能，采用新工藝和新結(jié)構(gòu)，在縮小體積的同時(shí)進(jìn)一步加大輸出轉(zhuǎn)矩，優(yōu)化其輸出效率。其次，改進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)器的性能。在硬件上采用高速DSP、ASIC、IPM智能功率器件，在軟件上采用新的控制理論，提高運(yùn)算速度和電流控制精度。檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)將在分辨率、多功能性上大幅度提高。不久的將來，更加小型化、多功能化的位置檢測(cè)器件也將投人使用。

2、小型化 在伺服電機(jī)中使用高性能永久磁性材料，改進(jìn)磁場(chǎng)構(gòu)造，優(yōu)化繞線技術(shù)、冷卻技術(shù)。

3、軟件化 在伺服驅(qū)動(dòng)器中使用超大規(guī)模集成電路，將更多的硬件結(jié)構(gòu)軟件化。

4、網(wǎng)絡(luò)化 網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)將驅(qū)動(dòng)部分、運(yùn)動(dòng)控制、上位控制和主計(jì)算機(jī)（中央處理器）通過網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)成一個(gè)整體的系統(tǒng)解決方案，通過網(wǎng)絡(luò)高速傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行整體一元化管理，使機(jī)械調(diào)整、故障診斷更加簡(jiǎn)單可靠，甚至通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行異地管理、控制及維護(hù)。

5、環(huán)境適應(yīng)性 未來的伺服系統(tǒng)將在抗干擾、低噪音等方面進(jìn)行改善，以弱化對(duì)環(huán)境的要求和減少對(duì)環(huán)境的干擾。 總而言之，埃斯頓的交流伺服系統(tǒng)技術(shù)將向更高性能、更快速度、更強(qiáng)的全數(shù)字化、高智能的驅(qū)動(dòng)控制方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李成桐 張敬賓 丁原彥，新一代伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望，國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，1999.4