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数控伺服系统及其构成分析
董超
(鸿富晋精密工业(太原)有限公司山西太原030032)
摘要：数控服系统的性能直接形响到数控机床的各种精度技术指标，伺服系统的各方面性能主要有稳态跟踪误差、动态响应的性能和快建性等方面体现。伺服系统想要获得高性能和高精度的技术指标,可以选用高性能的伺服电机和其它硬件执行机构,也可以采用新型先进的控制方法。本文分析了数控例服系统的分类及其构成,望对数控伺服系统的完善与改进能够有所帮助。
关键调数控技术伺服系统数控机床
中图分类号：TP273
1数控伺服系统的分类
文献标识码:A
伺服系统的分类有好多种，按调节理论分类可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统，按使用的驱动元件分类为步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统，按反馈比较控制方式分类为数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统和全数字伺服系统。
其中交流伺服系统是指用交流异步伺服电机和永磁同步伺服电机的系统，直流伺服电动机存在着有电制等一些固有缺点，使应用受到限制，交流伺服电机克服了这些缺点，而且电机的转动惯量下，动态响应快，另外，在同等体积下，交流电机的输出功率比直流电机提高10%一70%。所以交流伺服系统得到了更好的利用和发展，
目前工业应用的伺服系统中80%都是交流伺服系统。 2数控交流侗服系统的构成部件分析
2.1数控交流伺服系统的介绍
目前，数控机床中的伺服系统中采用电流环、速度环和位置环
的三闭环PID调节技术，传统的PID参数的整定方法效率比较低，一般都依靠工程师的经验。为了提高数控机床的伺服系统的性能，对交流伺服系统的设计和参数整定就显得尤为重要。
为了分析系统的静，动态品质，必须首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，对于连续的线性定常数，其数学模型是常微分方程，经过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图表示，一般微分方程模型建立的一般步骤如下：(1)首先根据系统工作原理和系统各变量的关系，确定系统的输人量和输出量。先将系统划分为若干个环节，并确定每一个环节的输人和输出信号，一般相连接的两个环节，前一个的输出信号肯定是后一个环节的输入信号.(2)从系统的开始端，根据物理定理，依次写出各变量间或各环节的数学方程，并作相必要的简化，如进行一些线性化处理或者忽略一些次要因索等。(3) 由各环节的数学方程式综合消去中间变量，最后得到只包含输人量、输出量和系统元件参数的微分方程式。
2.2数控交流伺服系统的三环整定
在数控机床交流伺服系统中，一般都是由电流环、速度环和位置环的三闭环构成的。其中电流环和速度环是伺服系统的内环，位置环是其的外环结构，三闭环结构能使数控伺服系统得到较好的动
款
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位置环调气器
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速度纤简化传进函数
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图1位置环简化系统框图
文章编号：1007-9416(2015)07-0220-0）
态和静态性能，其中，电流环的作用是提高系统的快速响应能力和抑制电机内部的电流造成的干扰，使系统有足够大的加速扭矩，能保障系统的安全运行：速度环的作用是增强伺服系统的抗负载的能力，抑制运动速度的波动，位置环的作用是保证伺服系统的动态和静态性能，使系统稳定、高性能的运行。为了提高系统的性能，三环都有控制器进行调节，经过长期的工程实践中证明，电流环和速度环采用PI调节器，位置环采用PID调节器。
2.3位置环的设计整定
位置环的设计是数控机床伺服系统中最重要的一环。机床的伺服系统要求具有精确的定位，还能够随时的控制电机的转向和转速，以保证在机床加工过程中能快速准确的跟踪位置指令，完成高精度的加工，伺服系统稳态运行过程中，突然施加一个位置指令，为了使输出量尽快的跟踪到输人量，并且产生的稳态位置误差越小越好，就得有好的PID调节器的参数设计。通过整定电流环和速度环，把这两个当做位置环的内环，简化模型后的结构图如图1所示：
位置环的增益越大，位置跟踪误差越小，但增益如果过大的话会影响到整个系统的动态性能，即稳定性降低。系统的动态性能和静态性能是相互矛盾的，跟随误差是无法完全消除的，所以设置位置环PID的时候要兼顾多方面的要求，最终要求达到系统的要求，工程上，位置环PID控制器的参数的设计通带是通过试漆法，或者通过实验经验公式来确定。实验澳试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复试参数，直至
出现满意的响应，从而确定PID控制参数。 3侗服系统的发展趋势
伺服系统的发展趋势是直流伺服系统将被交流数字伺服系统所代替。伺服系统的速度环、位置环及电流环实现了数字化，并产生了新的控制理论，实现了不受机负荷变动影响的高速响应系统。(1)前馈控制技术在原来的控制系统上加上速度指令的控制，这就使跟踪滞后误差大为减小。(2)机械静、动摩擦的非线性控制技术。机床的静、动摩擦的非线性会导致运动部件爬行。新型的数控伺服系统具有自动补偿静、动摩摄非线性的控制功能。(3)同服系统的速度环和位置环均采用软件控制。采用软件控制更具有柔性，能适应不
同类型的机床，能实现复杂的控制算法，实现高性能控制。参考文献
[1]景琦.数控机床伺服驱动技术的现状与发展趋势[J].机械工艺师， 2011.
[2]欧连发，田立坚，吴延忠.交流伺服系统的发展概况[J].微电机， 2010.
[3]佩青,李光耀,厚文和,数控技术的现状及发展策略[J].机械科学与技术,2010.
收稿日期：2015-06-29
作者简介：董超(1985一).男，内蒙古自治区，本科毕业于太原科技大学，初级,研究方向：数控机床故障诊断。 220
方方数据