FANUC的伺服技术与伺服装置

前言

伺服装置是数控系统的重要组成部分。伺服技术的发展建立在控制理论、电机驱动及电力电子等技术的基础上。上世纪50年代初，世界笫一台NC机床的进给驱动采用液压驱动。由于液压系统单位面积产生的力大于电气系统所产生的力(约为20：1)，而且惯性低、反应快，因此初期的NC系统的进给伺服装置大多采用液压驱动装置。当时的日本富士通公司计算机控制部(以后发展为FANUC公司)从麻省理工学院学习了笫一台NC技术后，用电液脉冲电机作为数控机床进给驱动系统。70年代初期，由于石油危机，加上液压对环境的污染以及系统笨重、效率低等原因，美国GETTYS公司开发出直流大惯量伺服电机，这种伺服电机静力矩和起动力矩大，并在NC机床上得到了应用，性能良好。另一方面，1974年FANUC公司在开发新的低噪声、大扭矩电液脉冲电机时，遇到了技术困难。而电液脉冲电机原先是使FANUC数控系统市场占有率高到几乎接近独占鳌头的主要原因； 当时担任公司社长的稻叶先生反复思考，“我是技术人员，同时也是经营者。作为技术人员，我作为电液脉冲电机的发明者而感到自豪、自信；但是作为经营者，我必须反复自问：电液脉冲电机就这样原封不动地持续下去而没有危机吗?通过调查，我确信有新的电机来取代电液脉冲电机。”于是当即做出了“割爱”的果断决择：废弃使用多年的电液脉冲电机驱动方案，同时转而从美国GETTYS公司引进大惯量直流伺服电机制造技术，并立即进行商品化。从此，在世界最大的CNC公司，开环的系统由闭环的系统取代；液压的驱动系统由电气驱动系统取代。这件事，一直在NC业界传为美谈。在这之后，FANUC又成功地把交流伺服电机应用在数控机床上，然后不断推出新的驱动装置：如直线电机、高速内装电机、直接驱动电机等，提高了数控机床的性能，简化了数控机床的机械结构。

1 数控机床对驱动装置的要求

数控机床主要有两种驱动装置：进给伺服驱动装置和主轴驱动装置。这两种驱动装置在很大程度上决定了数控机床的性能优劣。

1) 数控机床对进给伺服装置的要求

a. 机械特性的要求

要求伺服装置静态和动态的速降小、刚度大。伺服系统的刚度与机床机械构件的刚度有相同的意义，即在外部干扰力(切削力、重力等外力)作用下，这些力从工作部件传到电机轴上产生的转角位置变化。用C 表示单位外力矩作用下的位移：

δ= △θ/T

式中，△θ为工作部件角位移量，T为外加扰动力矩。要求δ很小，甚至为零，即通电之后，伺服装置处于闭环状态，要求任何外力不使机床的工作部件发生位移(在限度以内)。数控机床加工中有时从插补运动过渡到某一轴的直线运动或旋转运动，如果待工作的轴伺服刚性不好，加工精度同样得不到保证，这是显然的。伺服刚性通常是以对扰动力矩的响应来综合调节系统。

b. 快速相应的要求

这在轮廓加工，特别对曲率大的加工对象进行高速加工时要求较严格。

c. 调速范围的要求

这可以使数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质；适应于各种不同的加工工艺。在机床加工时，当工作部件处于停止状态，也即进给电机的速度虽然为零，但要求伺服电机仍然具有转矩，这样才能“锁住”工作部件；因此，进给伺服装置仍然处于“伺服”状态。从理论上说，进给驱动的调速范围为无穷大。或者说，进给的调速范围越大越好。比如FANUC的15系统速度范围可达1,000,000,000:1。

d. 输出转矩的要求

一定的输出转矩，并要求一定的过载转矩。机床进给机械负载的性质主要是克服工作部件的摩擦力和切削阻力，因此主要是“恒转矩”的性质。

2) 数控机床对主轴驱动装置的要求

a. 足够的输出功率

数控机床的主轴负载性质近似于“恒功率”，也就是当机床的主轴转速高时，输出转矩较小；主轴转速低时， 输出转矩大； 即要求主轴驱动装置也要具有“恒功率”的性质。可是当主轴电机工作在额定功率、额定转速时，按照一般电机的原理，不可能在电机为额定功率下进行恒功率的宽范围调速。因此，往往在主轴的机械部分需增加一或二档机械变速档，以提高低速的转矩，扩大恒功率的调速范围；或者降低额定输出功率，扩大恒功率调速范围。 #p#分页标题#e#

b. 调速范围的要求

为保证数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质，适应于各种不同的加工工艺，要求主轴驱动装置具有一定的调速范围。对主轴的驱动装置，一般较低的要求为1:100，高的要求为1:1,000以上。

c. 速度精度的要求

一般要求静差度小于5%，更高的要求为小于1%。如果速降过大，则加工的质量就会受影响，比如光洁度就不好。

d. 快速的要求

主轴驱动装置有时也用在定位功能上，这就要求它也具有一定的快速性。

2 驱动电机的发展

1) 进给伺服用电机：从直流电机到交流电机，从旋转电机到直线电机对于电动机，其输出转矩T的大小与激磁磁感应强度B1和电枢磁感应强度B2的大小及B1、B2之间夹角θ的正弦成比例。即：

T=k(B1×B2×sinθ) (2)

其中k为比例系数；直流电机由于电刷的位置在几何中心线上，所以θ=90°；因此控制简单，可以输出较大的力矩，得到了广泛的应用。但是直流电机电刷容易磨损，需要经常更换，这就给维修造成困难。于是又开发了交流伺服电机。由于交流电机θ≠90°，为了提高性能，采用交流电机伺服控制理论和数字信号处理器可以对三相交流感应电机进行矢量控制以得到θ=90°；对于交流同步机结构的伺服电机，同样也可以采用矢量控制的方法，并通过控制磁场夹角的方法得到θ=90°；由于它的特性可以与直流电机相当，因此，进给伺服应用的电机大多数采用这种电机。

采用电伺服技术的初期阶段，指令的控制为模拟控制；这种控制方法漂移大、精度差，由于数字控制可以克服上述缺点，因此越来越多地得到应用。

当前，FANUC最大的伺服电机a3000HVis规格如下：额定输出功率250kW，最大功率530kW，堵转转矩3000Nm，最大输出转矩为5300Nm，最高转速为2000r/min，目前，也是世界上最大的伺服电机。这种电机主要应用在数控注塑机和冲压机上，原先，这些机械主要采用液压驱动。

图1 直线电机与直接驱动伺服电机

传统设计和制造的NC机床受制于标准驱动装置及控制器，使加工的精度和速度受到限制。在上世纪80年代末出现了直线伺服电机。它由两个元件组成，电磁力直接作用于移动元件而无需机械连接，没有螺距周期误差，精度完全依赖于反馈系统和分级的支承。由全数字伺服驱动器供电，刚性高，频响好，因而可获得高速度。比如L17000C3/2is 的直线电机： 最大推力可达17000N， 连续推力3400N/4080N/6800N(分别对应自然冷/气冷/水冷)，速度可达4m/s，加速度30g， 分辨率可达0.01µm，甚至更高。直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：一是结构简单，由于直线电机不需要有旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地减少；二是定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高；三是反应速度快、灵敏度高，可做到滑块和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定子、滑块间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性；四是工作安全可靠、寿命长。

在数控机床上把低速力矩电机直接作为旋转工作台是伺服技术的又一个发展。传统的旋转工作台一般是通过高速伺服电机带动降速齿轮、蜗轮、蜗杆副进行降速。传动链长，噪声大，需要维修。在采用直接驱动的伺服电机后，由于加大了电机转子直径，采用稀土金属作为磁极材料，因此可以获得大转矩。并对磁路进行最佳设计，以减少低速的转矩脉动。表1是齿轮传动工作台和直接驱动工作台性能比较。 #p#分页标题#e#

表1 齿轮工作台和直接驱动工作台性能比较

当前，FANUC工作台的内装式伺服电机D3000/150is具体规格如下：最大输出转矩可达3000Nm，连续额定转矩可达1200Nm，最大转速为150r/min，外形高度为160mm，外径为565mm。

2) 主轴电机

由于交流异步电机变频调速容易实现恒转矩、恒功率的功能，又没有直流电机的炭刷，因此很快就被采用在数控机床的主轴上。随着数控机床速度的提高，为了简化传动链，甚至采用“零传动”的结构，因而出现了电主轴。把机床的主轴与主轴电动机集成在一起，它的机械结构虽然很简单，但精度和可靠性却要求很高。当前， 一般内装主轴电机速度达到12000～15000r /min；电机采用三相异步电机的结构，并采用改变极对数的方法改变分级变速。最近，又出现同步电机的结构，采用稀土磁铁，提高输出转矩，设计最佳机床结构，还开发了宽范围恒功率的主轴电机。这有两种方法：降低原有电机的功率，扩大恒功率调速范围；利用变极对数，达到恒功率。采用FANUC主轴电机规格如表2。

表2 FANUC主轴电机规格

3 驱动装置的发展

FANUC的驱动装置主要由3部分组成：电源、放大器、控制。
电源主要把交流变为直流，把泵升电压送回电网或加以处理，在电源故障时进行保护等功能。

早期开发的晶闸管伺服系统控制简单，速度范围能满足一般数控机床的需要，由于晶闸管额定电流大，短时间过电流能力强，因此对大惯量直流伺服电机可以发挥过负荷、高速、高加减速的特点。控制一般采用移相控制的方法。晶闸管伺服系统的缺点是功率转换的频率较低，只能是电网的频率50Hz或者高达300Hz。因此，其伺服装置低速电流波动较大、调速范围不大、快速响应慢。

由于上述原因， 从技术上FANUC又推出了PWM(脉冲宽度调制)控制的电路。比如，以固定的频率调制直流电源电压V0，当方波的占空比△t/T0变化时，输出平均电压V1为：

V1=[△t/T0]V0 (3)

然这种电压的波形也是脉动的，但是由于调制的频率可以达到很高，因此波形仍然可以很好。从上述原理看出，PWM的特点可以使系统的快速性提得很高。如果采用晶体管，其动态调节时间比可控硅快，但允许的电流较小，因此比较适合中、小功率的驱动电路。

除了直流进给电机外，FANUC的交流电机也采用PWM控制。交流电机的控制，是通过交流、直流、交流的原理产生交流电压去控制交流电机。首先电网的交流电压经过整流变成直流电压，供电给逆变器，它把直流磁路，减小低速脉动。这种电机非常适合数控车床和数控齿轮机床的应用。除此以外，FANUC还开发了与机床主轴直连的主轴电机，油冷主轴电机。为了简化变成交流；而逆变器是由PWM控制的，通过PWM电路，变化交流电压的幅值，频率低时，输出电压的幅值也低，频率高时，由于采用PWM的控制，输出电压的幅值也高。这样就达到变频的同时也改变了电压。不但进给驱动系统采用这个原理；而且交流主轴电机的调速也是如此。一般频率为3kHz～10kHz。

伺服技术的发展与电力电子技术的发展有关，上世纪50年代初使用的功率电子器件为电子管、闸流管，体积大、寿命短、效率低；60年代之后，又相继出现了晶闸管SCR(可控硅整流器)、功率晶体管GTR、功率场效应管MOSFET、绝缘栅三极管IGBT、智能功率模块IPM等。把功率放大、触发控制、驱动、保护电路集成在一起。这些器件的出现，大大提高了系统的控制性能及集成度、可靠性，从而缩小了尺寸，降低了成本。

4 控制技术的发展

FANUC为了提高伺服装置的性能和实现数控系统的功能，对控制技术不断进行改进。其中最重要的控制功能为HRV控制。如图2所示。FANUC的CNC采用交流伺服电机，实际流过绕组的电流为交流电流。这有二种方法可以进行控制：(1)电流控制环和控制都为AC量；(2)通过坐标变换电流变量为DC量进行控制。现在一般采用后者进行控制。也称矢量变换控制。矢量控制原理为：交流电机中，转子由定子绕组感应的电流产生磁场；而定子电流含两个成份，一个影响激磁磁场，另一个影响电机输出转矩。这两个电流成份在定子耦合在一起，为了使交流电机应用在既需要速度又需要转矩控制的场合，必须把影响转矩的电流成份解耦控制，采用磁通向量控制法就可以分离这两个成份， 并进行独立控制。HRV就是基于后者的控制。由于采用DC控制，它的控制特性不取决于电机的速度(即电流的频率)，从速度控制的观点出发，这意味着由转矩指令决定的实际的转矩与电机的速度无关。交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，早期由于电力电子器件笨重、落后，控制理论陈旧，控制性能差，所以交流电机很长时间没有在NC系统上得到应用。随着电力电子技术的发展，1971年，德国西门子的Blaschke发明了交流异步机的磁通矢量控制法；1980年，德国人Leonhard为首的研究小组在应用微处理器的矢量控制的研究中取得进展， 使矢量控制实用化。上世纪70年代末，NC机床逐渐采用异步电机为主轴的驱动电机。对现代数控系统，伺服技术取得的最大突破可以归结为：交流驱动取代直流驱动、数字控制取代模拟控制(或者把它称为软件控制取代硬件控制)。这两种突破的结果产生了交流数字驱动系统，特别是数字信号处理器DSP的应用，系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强。因而推动了数控机床高精高速加工技术的发展。#p#分页标题#e#

图2 HRV控制框图

HRV是“高响应矢量”(High Respons Vector)的意义。所谓HRV控制是对交流电机矢量控制从硬件和软件方面进行优化，以实现伺服装置的高性能化，从而使数控机床的加工达到高速和高精；为了实现高速和高精，进给伺服装置的HRV主要控制：(1)对输入指令具有高精高速的响应；减少采样时间，对电流进行高精度检测；优化软件设计，对电流和速度进行控制，以加大速度增益和位置增益， 从而提高改善系统的性能；(2)对外部的干扰具有良好的鲁棒性；(3)采用高精度编码器； (4) 设置HRV滤波器， 减少机械谐振影响。通过以上措施可使系统的速度增益达到5000%，位置增益达到300/秒。而主轴伺服装置的HRV主要控制：(1)设置HRV滤波器，减少机械谐振影响，加大速度增益；提高系统稳定性；(2)精调加减速，提高同步性；(3)降低高速时绕组温升。

5 采用数字伺服的自调谐技术，方便于调试

为了使用户方便调试， 对伺服装置， FANUC 还设计了“ Servo Guide”软件工具。它采用自调谐(self tuning)技术通过计算机可自动地把伺服参数进行设定，并显示运转的波形，使伺服系统方便、准确、快速地调试和进行维修。