電主軸的工作原理

LT

電主軸的工作原理

目前，隨著電氣傳動技術(變頻調速技術、電動機矢量控制技術等)的迅

速發展和日趨完善，高速數控機床主傳動系統的機械結構已得到極大的簡化，

基本上取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機床主軸由內裝式電動機直接驅動，從

而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現了機床的“零傳動，這種主軸電動

機與機床主軸“合二為一”的傳動結構形式，使主軸部件從機床的傳動系統和

整體結構中相對獨立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主

軸”(ElectricSpindle,MotorSpindle).由于當前電主軸主要采用的是交流高頻

電動機，故也稱為“高頻主軸”(HighFrequencySpindle)。由于沒有中間傳動

環節，有時又稱它為“直接傳動主軸”(DirectDriveSpindle).

電主軸的優點

電主軸具有結構緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪聲低、響應快等優點，

而且轉速高、功率大，簡化機床設計，易于實現主軸定位，是高速主軸單元

中的一種理想結構。

電主軸軸承采用高速軸承技術，耐磨耐熱，壽命是傳統軸承的幾倍。

產品特性

高轉速、高精度、低噪音、內圈帶鎖口的結構更適合噴霧潤滑。

主要用途

數控機床?機電設備

微型電機?壓力轉子

步進電機

電主軸是最近幾年在數控機床領域出現的將機床主軸與主軸電機融為一體

的新技術電主軸是最近幾年在數控機床領域出現的將機床主軸與主軸電機融

為一體的新技術，它與直線電機技術、高速刀具技術一起，將會把高速加工

推向一個新時代。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、

高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內置編碼器、換刀裝置。

電主軸所融合的技術：

高速軸承技術：電主軸通常采用復合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統

軸承的幾倍；有時也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內外圈不接觸，理論上

壽命無限；

高速電機技術：電主軸是電動機與主軸融合在一起的產物，電動機的轉

子即為主軸的旋轉部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電動機。關鍵技

術是高速度下的動平衡；

潤滑：電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑；也可以采用脂潤滑，

但相應的速度要打折扣。所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油。所

謂定量，就是通過一個叫定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的油量。而

油氣潤滑，指的是澗滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制

很重要，太少，起不到潤滑作用：太多，在軸承高速旋轉時會因油的阻力而

發熱。

冷卻裝置：為了盡快給高速運行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通

以循環冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。

內置脈沖編碼器：為了實現自動換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內置一脈

沖編碼器，以實現準確的相角控制以及與進給的配合。

什么是電主軸？電主軸有什么優點？

電主軸概述

高速數控機床（CNC）是裝備制造業的技術基礎和發展方向之一，是裝備

制造業的戰略性產業。高速數控機床的工作性能，首先取決于高速主軸的性

能。數控機床高速電主軸單元影響加工系統的精度、稔定性及應用范圍，其

動力性能及穩定性對高速加工起著關鍵的作用。

高速主軸單元的類型主要有電主軸、氣動主軸、水動主軸等。不同類型的

高速主軸單元輸出功率相差較大。

目前，隨著電氣傳動技術（變頻調速技術、電動機矢量控制技術等）的迅

速發展和日趨完善，高速數控機床主傳動系統的機械結構已得到極大的簡化，

基本上取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機床主軸由內裝式電動機直接驅動，從

而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現了機床的“零傳動”。這種主軸電動

機與機床主軸“合二為一”的傳動結構形式，使主軸部件從機床的傳動系統和

整體結構中相對獨立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”（Electric

Spi11dIe,MotorSpindle).由于當前電主軸主要采用的是交流高頻電動機，故

也稱為“高頻主軸”(HighFrequencySpindle)。由于沒有中間傳動環節，有

時又稱它為“直接傳動主軸”(DirectDriveSpindle)。

電主軸具有結構緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪聲低、響應快等優點，

而且轉速高、功率大，簡化機床設計，易于實現主軸定位，是高速主軸單元

中的一種理想結構。

電主軸概述

主軸是直接體現機床性能的關鍵部件。目前，數控機床大量采用內裝變頻

電動機的主軸部件。它是一種機電一體化的功能部件，其電動機轉子與主軸

是一體的，無需任何機械連接。改變供電的頻率，就可以實現主軸調速。

這種模塊化、系列化的功能部件稱為電主軸。通常由具有設計和制造高速、

高精度、變頻調速電主軸豐富經驗的專業公司提供，產品質量和供貨容易獲

得保證。

變頻電主軸制造商通常提供不同結構和用途的系列產品。變頻電主軸按其

軸承結構可分為滾動軸承電主軸、靜壓軸承電主軸和磁浮軸承電主軸：按其

變頻范圍可分為高速(30~1500Hz)和低速(10-40

Gs交流伺服驅動器

GS系列交流伺服驅動器■讓機床擁有非凡

品質

Gs交流伺服驅動器是北京超同步科技有限公司自主研發、生產的新

一代交流伺服驅動器，它完全繼承Ga驅動器的優點，同時在驅動技術

和控制精度上有大幅度提高。是目前國內具有領先水平的交流伺服產

品。該產品設計超前，功能全面，應用廣泛，是各種數控機床驅動（主

軸）首選的驅動產品。

Gs系列交流伺服驅動器采用雙dsp技術完全實現伺服電機的全閉

環控制，集速度控制、位置控制、轉矩控制于一體。作為機床動力軸

驅動系統，可以方便地實現高速、高精度銃削、車削、磨削等加工，

在重切削方面比傳統驅動更勝一籌；同時由于卓越的控制性能，完全

有能力參與坐標軸的插補控制，完成剛性攻絲、螺紋切削、c軸控制等

功能；還可以實現諸如多頭銃床等設備的伺服同步驅動。

Gs系列交流驅動器接口豐富，操作簡便，標準應用可免調試，給機

床設計工程師的選型、設計、調試等工作提供極大的便利。方便地與

國內外各大知名品牌的數控系統接口，使您的機床設計更靈活，充分

張顯競爭優勢。

Gs系列驅動器作為大功率的伺服驅動單元，完全有能力和交流同步

驅動器在重型機床的坐標軸控制方面進行角逐，同時其良好的性價比

優勢，更讓我們相信她完全可以讓您的立車臥鎮、龍門設備等盡顯非

凡優勢。

發布日期：2011-4-7

［返回1

友情鏈接

伺服電機與步進電機區別

伺服電機（伺服系統）比步進電機精度高

步進電機屬于伺服電機的一種，而伺服系統與步進電機才有區別。

伺服系統通常用在高精度微移動場合，以及高精度場合，而步進電機則使用

在要求并不太高的場合，其二者的造價目前伺服系統略高于步進電機，但已

經是越來越便宜了。伺服系統其優越性遠高于步進電機，只是造價目前看

來還略高一些而已。

步進電機和交流伺服電機性能比較

步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯系。

在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交

流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為

了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式

交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向

信號)，但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。現就二者的使用性

能作一比較。

一、控制精度不同

兩相混合式步進電機步距角一般為3.6。、1.8。，五相混合式步進電機步距角

一般為0.72。、0.36。。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司

生產的一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09。；德國百格拉公司

(BERGERLAHR)生產的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設

置為1.8°、0.9。、0.72。、0.36%0.18°、0.09。、0.072。、0.0360,兼容了兩相

和五相混合式步進電機的步距角。

交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式

交流伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部

采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/10000=0.036%對于帶17位編碼器

的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一網，即其脈沖當量為

360。〃31072=9.89秒.是步距角為1.8。的步進電機的脈沖當量的1/655。

二、低頻特性不同

步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能

有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工

作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工

作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻

尼器，或驅動器上采用細分技術等。

交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服

系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解

析機能（FFT）,可檢測出機械的共振點，便于系統調整。

三、矩頻特性不同

步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以

其最高工作轉速一般在300?600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其

額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩，在額

定轉速以上為恒功率輸出。

四、過載能力不同

步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下

交流伺服系統為例，它具有速度過載和轉矩過教能力。其最大轉矩為額定轉

矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有

這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的

電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的

現象。

五、運行性能不同

步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的

現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理

好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼

器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的

丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。

六、速度響應性能不同

步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200?400亳秒。

交流伺服系統的加速性能較好，以松下MSMA400W交流伺服電機為例，從

靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾亳秒，可用于要求快速啟停的控制場

合。

綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。但在一些要求不

高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。所以，在控制系統的設計過程

中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。

FANUC的伺服驅動裝置

（2007-06-2314:08:37閱讀數；418）

一、前言

伺服裝置是數控系統的重要組成部分。伺服技術的發展建立在控制理論、

電機驅動及電力電子等技術的基礎上。上世紀50年代初，世界笫一臺NC機床

的進給驅動采用液壓驅動。由于液壓系統單位面積產生的力大于電氣系統所產

生的力（約為20：1）,而且慣性低、反應快，因此初期的NC系統的進給伺服裝

置大多采用液壓驅動裝置。當時的日本富士通公司計算機控制部（以后發展為

FANUC公司）從麻省理工學院學習了笫一臺NC技術后，用電液脈沖電機作為數

控機床進給驅動系統。70年代初期，由于石油危機，加上液壓對環境的污染以

及系統笨重、效率低等原因，美國GETTYS公司開發出直流大慣量伺服電機，

這種伺服電機靜力矩和起動力矩大，并在NC機床上得到了應用，性能良好。

另一方面，1974年FANUC公司在開發新的低噪聲、大扭矩電液脈沖電機時,

遇到了技術困難。而電液脈沖電機原先是使FANUC數控系統市場占有率高到幾

乎接近獨占鰲頭的主要原因；當時擔任公司社長的稻葉先生反復思考，“我

是技術人員，同時也是經營者。作為技術人員，我作為電液脈沖電機的發明者

而感到自豪、自信；但是作為經營者，我必須反復自問：電液脈沖電機就這樣

原封不動地持續下去而沒有危機嗎?通過調查，我確信有新的電機來取代電液

脈沖電機。”于是當即做出了“割愛”的果斷決擇：廢棄使用多年的電液脈沖

電機驅動方案，同時轉而從美國GETTYS公司引進大慣量直流伺服電機制造技

術，并立即進行商品化。

從此，在世界最大的CNC公司，開環的系統由閉環的系統取代：液壓的驅

動系統由電氣驅動系統取代。這件事，一直在NC業界傳為美談。在這之后，

FANUC又成功地把交流伺服電機應用在數控機床上，然后不斷推出新的驅動裝

置：如直線電機、高速內裝電機、直接驅動電機等，提高了數控機床的性能，

簡化了數控機床的機械結構。

二、數控機床對驅動裝置的要求

數控機床主要有兩種驅動裝置：進給伺服驅動裝置和主軸驅動裝置。這兩

種驅動裝置在很大程度上決定了數控機床的性能優劣。

數控機床對進給伺服裝置的要求

機械特性的要求

要求伺服裝置靜態和動態的速降小、剛度大。伺服系統的剛度與機床機械

構件的剛度有相同的意義，即在外部干擾力（切削力、重力等外力）作用下，這

些力從工作部件傳到電機軸上產生的轉角位置變化。用C表示單位外力矩作

用下的位移：

A

5。（1

=■

T

式中，Aq為工作部件角位移量，T為外加擾動力矩。要求6很小，甚

至為零，即通電之后，伺服裝置處于閉環狀態，要求任何外力不使機床的工作

部件發生位移（在限度以內）o數控機床加工中有時從插補運動過渡到某一軸的

直線運動或旋轉運動，如果待工作的軸伺服剛性不好，加工精度同樣得不到保

證，這是顯然的。伺服剛性通常是以對擾動力矩的響應來綜合調節系統。

快速相應的要求

這在輪廓加工，特別對曲率大的加工對象進行高速加工時要求較嚴格。

調速范圍的要求

這可以使數控機床適用于各種不同的刀具、加工材質；適應于各種不同的

加工工藝。在機床加工時，當工作部件處于停止狀態，也即進給電機的速度雖

然為零，但要求伺服電機仍然具有轉矩，這樣才能“鎖住”工作部件；因此，

進給伺服裝置仍然處于“伺服”狀態。從理論上說，進給驅動的調速范圍為無

窮大。或者說，進給的調速范圍越大越好。比如FANUC的15系統速度范圍可

達1,000,000,000:lo

輸出轉矩的要求

一定的輸出轉矩，并要求一定的過載轉矩。機床進給機械負載的性質主要

是克服工作部件的摩擦力和切削阻力，因此主要是“恒轉矩”的性質。

數控機床對主軸驅動裝置的要求

足夠的輸出功率

數控機床的主軸負載性質近似于“恒功率”，也就是當機床的主軸轉速高

時，輸出轉矩較小；主軸轉速低時，輸出轉矩大；即要求主軸驅動裝置也

要具有“恒功率”的性質。可是當主軸電機工作在額定功率、額定轉速時，按

照一般電機的原理，不可能在電機為額定功率下進行恒功率的寬范圍調速。因

此，往往在主軸的機械部分需增加一或二檔機械變速檔，以提高低速的轉矩，

擴大恒功率的調速范圍；或者降低額定輸出功率，擴大恒功率調速范圍。

調速范圍的要求

為保證數控機床適用于各種不同的刀具、加工材質，適應于各種不同的加

工工藝，要求主軸驅動裝置具有一定的調速范圍。對主軸的驅動裝置，一般較

低的要求為1:100,高的要求為1:1,000以上。

速度精度的要求

一般要求靜差度小于5%,更高的要求為小于1%O如果速降過大，則加工

的質量就會受影響，比如光潔度就不好。

快速的要求

主軸驅動裝置有時也用在定位功能上，這就要求它也具有一定的快速性。

二、驅動電機的發展

進給伺服用電機：從直流電機到交流電機，從旋轉電機到直線電機對于電

動機，其輸出轉矩T的大小與激磁磁感應強度B1和電樞磁感應強度B2的大小及

B】、4之間夾角q的正弦成比例。

即：T=kCBiX^XsinO)(2)

其中k為比例系數；直流電機由于電刷的位置在幾何中心線上，所以

8=90。；因此控制簡單，可以輸出較大的力矩，得到了廣泛的應用。但是直

流電機電刷容易磨損，需要經常更換，這就給維修造成困難。于是又開發了交

流伺服電機。由于交流電機9W90。，為了提高性能，采用交流電機伺服控制

理論和數字信號處理器可以對三相交流感應電機進行矢量控制以得到q=90°；

對于交流同步機結構的伺服電機，同樣也可以采用矢量控制的方法，并通過控

制磁場夾角的方法得到8二90。；由于它的特性可以與直流電機相當，因此，

進給伺服應用的電機大多數采用這種電機。

圖1直線電機與直接驅動伺服電機

采用電伺服技術的初期階段，指令的控制為模擬控制；這種控制方法漂移

大、精度差，由于數字控制可以克服上述缺點，因此越來越多地得到應用。

當前，FANUC最大的伺服電機a3000HVis規珞如下：額定輸出功率250kW,

最大功率530kW,堵轉轉矩3000Nni,最大輸出轉矩為5300Nm,最高轉速為

2000r/min,目前，也是世界上最大的伺服電機。這種電機主要應用在數控注

塑機和沖壓機上，原先，這些機械主要采用液壓驅動。

傳統設計和制造的NC機床受制于標準驅動裝置及控制器，使加工的精度

和速度受到限制。在上世紀80年代末出現了直線伺服電機。它由兩個元件組

成，電磁力直接作用于移動元件而無需機械連接，沒有螺距周期誤差，精度完

全依賴于反饋系統和分級的支承。由全數字伺服驅動器供電，剛性高，頻響好,

因而可獲得高速度。

比如L17000C3/21S的直線電機：最大推力可達17000N,連續推力

3400N/4080N/6800N(分別對應自然冷/氣冷/水冷)，速度可達4m/s,加速度

30g,分辨率可達0.01阿，甚至更高。直線電機與旋轉電機相比，主要有如

下幾個特點：一是結構簡單，由于直線電機不需要有旋轉運動變成直線運動的

附加裝置，因而使得系統本身的結構大為簡化，重量和體積大大地減少；二是

定位精度高，在需要直線運動的地方，直線電機可以實現直接傳動，因而可以

消除中間環節所帶來的各種定位誤差，故定位精度高；三是反應速度快、靈敏

度高，可做到滑塊和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，這就消除了定

子、滑塊間的接觸摩擦阻力，因而大大地提高了系統的靈敏度、快速性和隨動

性；四是工作安全可靠、壽命長。

在數控機床上把低速力矩電機直接作為旋轉工作臺是伺服技術的又一個

發展°傳統的旋轉工作臺一般是通過高速伺服電機帶動降速齒輪、蝸輪、蝸桿

副進行降速。傳動鏈長，噪聲大，需要維修。在采用直接驅動的伺服電機后，

由于加大了電機轉子直徑，采用稀土金屬作為磁極材料，因此可以獲得大轉矩。

并對磁路進行最佳設計，以減少低速的轉矩脈動。表1是齒輪傳動工作臺和直

接驅動工作臺性能比較。

表1齒輪工作臺和直接驅動工作臺性能比較

項目齒輪工作臺直接驅動工作臺

速度低高

加速度低高

伺服剛度（例

一般高

如，位置增益）

抗干擾相對強相對弱

夾緊轉矩大相對小

高（主要決定于編碼器高（主要決定于編碼器分辨

定位精度

分辨率和降速機械）率、機械剛度和軸承剛度）

機械噪聲大低

維修必需（由于機械磨損）基本不必要

裝配相對容易需要思考（由于磁拉力）

自然冷/氣冷/液冷（決定于

冷卻一般不需要

連續轉矩和散熱情況）

外形尺寸不緊湊（電機外裝）緊湊（電機內裝）

當前，FANUC工作臺的內裝式伺服電機D3000/150is具體規格如下：最大

輸出轉矩可達3000而，連續額定轉矩可達1200Nm,最大轉速為150r/min,外

形高度為160mm,外徑為565mmo

主軸電機

由于交流異步電機變頻調速容易實現恒轉矩、恒功率的功能，又沒有直流

電機的炭刷，因此很快就被采用在數控機床的主軸上。隨著數控機床速度的提

高，為了簡化傳動鏈，甚至采用“零傳動”的結構，因而出現了電主軸。把機

床的主軸與主軸電動機集成在一起，它的機械結構雖然很簡單，但精度和可靠

性卻要求很高。當前，一般內裝主軸電機速度達到12000?15000r/min；

電機采用三相異步電機的結構，并采用改變極對數的方法改變分級變速。最近,

又出現同步電機的結構，采用稀土磁鐵，提高輸出轉矩，設計最佳機床結構，

還開發了寬范圍恒功率的主軸電機。這有兩種方法：降低原有電機的功率，擴

大恒功率調速范圍；利用變極對數，達到恒功率。采用FANUC主軸電機規格如

表2FANUC主軸電機規格

一

型額定功率范

號特點速度范圍（r/min）應用

圍

(kW)（基速-最大

速）

ai標準型0.55?454,500?15,000車床、加工中心

aip寬范圍恒功率5.5?224,500—8,000車床、加工中心

電機與機床主

軸

aiT1.5?225,000-20,000車床、加工中心

直連

高精度直連，油

aiL3.5?2215,000—20,000車床、加工中心

冷

aiB內裝0.55?501,000-30,000車床、加工中心

aiH高壓供電0.55?1004,000?20,000車床、加工中心

三、驅動裝置的發展

FANUC的驅動裝置主要由3部分組成：電源、放大器、控制。

電源主要把交流變為直流，把泵升電壓送回電網或加以處理，在電源故障

時進行保護等功能。

早期開發的晶閘管伺服系統控制簡單，速度范圍能滿足一般數控機床的需

要，由于晶閘管額定電流大，短時間過電流能力強，因此對大慣量直流伺服電

機可以發揮過負荷、高速、高加減速的特點。控制一般采用移相控制的方法。

晶閘管伺服系統的缺點是功率轉換的頻率較低，只能是電網的頻率50Hz或者

高達300Hz。因此，其伺服裝置低速電流波動較大、調速范圍不大、快速響應

慢。

由于上述原因，從技術上FANUC又推出了PWM（脈沖寬度調制）控制的電

路。比如，以固定的頻率調制直流電源電壓V0,當方波的占空比Dt/T。變化時,

輸出平均電壓%為：

Vl=[At/To]Vo

雖然這種電壓的波形也是脈動的，但是由于調制的頻率可以達到很高，因

此波形仍然可以很好。從上述原理看出，PWM的特點可以使系統的快速性提得

很高。如果采用晶體管，其動態調節時間比可控硅快，但允許的電流較小，因

此比較適合中、小功率的驅動電路。

除了直流進給電機外，FANUC的交流電機也采用PWM控制。交流電機的控

制，是通過交流、直流、交流的原理產生交流電壓去控制交流電機。首先電網

的交流電壓經過整流變成直流電壓，供電給逆變器，它把直流磁路，減小低速

脈動。這種電機非常適合數控車床和數控齒輪機床的應用。除此以外，FANUC

還開發了與機床主軸直連的主軸電機，油冷主軸電機。為了簡化變成交流；而

逆變器是由PWM控制的，通過PWM電路，變化交流電壓的幅值，頻率低時，輸

出電壓的幅值也低，頻率高時，由于采用PWM的控制，輸出電壓的幅值也高。

這樣就達到變頻的同時也改變了電壓。不但進給驅動系統采用這個原理；而且

交流主軸電機的調速也是如此。一般頻率為3kHz?10kHz。

伺服技術的發展與電力電子技術的發展有關，上世紀50年代初使用的功

率電子器件為電子管、閘流管，體積大、壽命短、效率低；60年代之后，又相

繼出現了晶閘管SCR（可控硅整流器）、功率晶體管GTR、功率場效應管MOSFET、

絕緣柵三極管IGBT、智能功率模塊IPM等。把功率放大、觸發控制、驅動、保

護電路集成在一起。這些器件的出現，大大提高了系統的控制性能及集成度、

可靠性，從而縮小了尺寸，降低了成本。

四、控制技術的發展

FANUC為了提高伺服裝置的性能和實現數控系統的功能，對控制技術不斷

進行改進。其中最重要的控制功能為HRV控制。如圖2所示。FANUC的CNC采

用交流伺服電機，實際流過繞組的電流為交流電流。這有二種方法可以進行控

制：（1）電流控制環和控制都為AC量；（2）通過坐標變換電流變量為DC量進行

控制。現在一般采用后者進行控制。也稱矢量變換控制。矢量控制原理為：交

流電機中，轉子由定子繞組感應的電流產生磁場；而定子電流含兩個成份，一

個影響激磁磁場，另一個影響電機輸出轉矩。

回

圖2HRV控制框圖

這兩個電流成份在定子耦合在一起，為了使交流電機應用在既需要速度又

需要轉矩控制的場合，必須把影響轉矩的電流成份解耦控制，采用磁通向量控

制法就可以分離這兩個成份，并進行獨立控制。HRV就是基于后者的控制。

由于采用DC控制，它的控制特性不取決于電機的速度（即電流的頻率），從速

度控制的觀點出發，這意味著由轉矩指令決定的實際的轉矩與電機的速度無

關。交流異步電機雖然價格便宜、結構簡單，早期由于電力電子器件笨重、落

后，控制理論陳舊，控制性能差，所以交流電機很長時間沒有在NC系統上得

到應用。

隨著電力電子技術的發展，1971年，德國西門子的Blaschke發明了交流異

步機的磁通矢量控制法；1980年，德國人Leonhard為首的研究小組在應用微

處理器的矢量控制的研究中取得進展，使矢量控制實用化。上世紀70年代

末，NC機床逐漸采用異步電機為主軸的驅動電機。對現代數控系統，伺服技術

取得的最大突破可以歸結為：交流驅動取代直流驅動、數字控制取代模擬控制

（或者把它稱為軟件控制取代硬件控制）。這兩種突破的結果產生了交流數字驅

動系統，特別是數字信號處理器DSP的應用，系統的計算速度大大提高，采樣

時間大大減少。使伺服系統性能改善、可靠性提高、調試方便、柔性增強。因

而推動了數控機床高精高速加工技術的發展。

HRV是“高響應矢量”（HighResponsVector）的意義。所謂HRV控制

是對交流電機矢量控制從硬件和軟件方面進行優化，以實現伺服裝置的高性能

化，從而使數控機床的加工達到高速和高精；為了實現高速和高精，進給伺服

裝置的HRV主要控制：（1）對輸入指令具有高精高速的響應；減少采樣時間，

對電流進行高精度檢測；優化軟件設計，對電流和速度進行控制，以加大速度

增益和位置增益，從而提高改善系統的性能；（2）對外部的干擾具有良好的

魯棒性；（3）采用高精度編碼器；（4）設置HRV濾波器，減少機械諧振影

響。通過以上措施可使系統的速度增益達到5000%,位置增益達到300/秒。而

主軸伺服裝置的HRV主要控制：（1）設置HRV濾波器，減少機械諧振影響，加

大速度增益；提高系統穩定性；（2）精調加減速，提高同步性；（3）降低高速時

繞組溫升。

五、采用數字伺服的自調諧技術，方便于調試

為了使用戶方便調試，對伺服裝置，FANUC還設計了

"ServoGuide”軟件工具。它采用自調諧（selftuning）技術通過計算機

可自動地把伺服參數進行設定，并顯示運轉的波形，使伺服系統方便、準確、

快速地調試和進行維修。

電主軸應用特點介紹

隨著電氣傳動技術（變頻調速技術、電動機矢量控制技術等）的迅速發展和日趨完

善，高速數控機床主傳動系統的機械結構已得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動和

齒輪傳動。機床主軸由內裝式電動機直接驅動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，

實現了機床的“零傳動”。這種