FANUC的伺服技术与伺服装置

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FANUC的伺服技术与伺服装置
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。

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。