現(xiàn)代電機(jī)控制理論發(fā)展使機(jī)床數(shù)控伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交流化、數(shù)字化、智能化機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，常用的伺服電機(jī)和控制系統(tǒng)有:
(一)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)
采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件，無(wú)須位置和速度檢測(cè)器件，也沒(méi)有反饋電路，控制電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的區(qū)別主要就在于它的脈沖控制，正是這個(gè)特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。不過(guò)步進(jìn)電機(jī)在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)。在精度不是需要特別高的場(chǎng)合就可以使用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)可以發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和成本低的特點(diǎn)。
(二)半閉環(huán)和閉環(huán)位置控制系統(tǒng)
采用直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，可以采用內(nèi)裝于電機(jī)內(nèi)的脈沖編碼器，無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器或測(cè)速發(fā)電機(jī)作為位置/速度檢測(cè)器件來(lái)構(gòu)成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，也可以采用直接安裝在工作臺(tái)的光柵或感應(yīng)同步器作為位置檢測(cè)器件，來(lái)構(gòu)成高精度的全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。
70年代，美國(guó)GATTYS公司發(fā)明了機(jī)床用直流力矩伺服電機(jī)，從此各國(guó)數(shù)控機(jī)床開(kāi)始大量采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)逐漸由閉環(huán)系統(tǒng)取代。以直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件的直流伺服系統(tǒng)，控制電路比較簡(jiǎn)單，價(jià)格較低。其主要缺點(diǎn)是直流伺服電機(jī)內(nèi)部有機(jī)械換向裝置，碳刷易磨損，維修工作量大，運(yùn)行時(shí)易起火花，給電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率的提高帶來(lái)較大的困難。交流異步電機(jī)雖然價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但早期由于控制性能差，所以很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有在數(shù)控系統(tǒng)上得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代電機(jī)控制理論的發(fā)展，1971年，德國(guó)西門子的Blaschke發(fā)明了交流異步機(jī)的矢量控制法;1980年，德國(guó)人Leonhard為首的研究小組在應(yīng)用微處理器的矢量控制的研究中取得進(jìn)展，使矢量控制實(shí)用化。從70年代末，數(shù)控機(jī)床逐漸采用異步電機(jī)為主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
如果把直流電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行“里翻外”的處理，即把電樞繞組裝在定子，轉(zhuǎn)子為永磁部分，并以轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測(cè)出磁極位置控制電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行電子換相，這就構(gòu)成了永磁無(wú)刷直流電機(jī)。這種交流伺服電機(jī)具有良好的伺服性能。從80年代開(kāi)始，逐漸應(yīng)用在數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置上。交流伺服系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件，可以和直流伺服電機(jī)一樣構(gòu)成高精度、高性能的半閉環(huán)或全閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于交流伺服電機(jī)內(nèi)是無(wú)刷結(jié)構(gòu)，幾乎不需維修，體積相對(duì)較小，有利于轉(zhuǎn)速和功率的提高。目前交流伺服系統(tǒng)已在很大范圍內(nèi)取代了直流伺服系統(tǒng)。在當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)中，伺服技術(shù)取得的突破可以歸結(jié)為:交流伺服取代直流伺服、數(shù)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(jié)果產(chǎn)生了交流數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給和主軸裝置上。由于電力電子技術(shù)及控制理論、微處理器等微電子技術(shù)的快速發(fā)展，軟件運(yùn)算及處理能力的提高，采用高速微處理器和專用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP-DigitalSignalProcessor)的全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)出現(xiàn)后，使系統(tǒng)的計(jì)算速度大大提高，采樣時(shí)間大大減少。原來(lái)的硬件伺服控制變?yōu)檐浖欧刂?，一些現(xiàn)代控制理論中的先進(jìn)算法得到實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而大大地提高了伺服系統(tǒng)的性能，例如OSP-U10/U100網(wǎng)絡(luò)式數(shù)控系統(tǒng)的伺服控制環(huán)就是一種高性能的伺服控制網(wǎng)，它對(duì)進(jìn)行自律控制的各個(gè)伺服裝置和部件實(shí)現(xiàn)了分散配置，網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)一步發(fā)揮了它對(duì)機(jī)床的控制能力和通信速度。這些技術(shù)的突破，使伺服系統(tǒng)性能改善、可靠性提高、調(diào)試方便、柔性增強(qiáng)，大大推動(dòng)了高精高速加工技術(shù)的發(fā)展。
采用狀態(tài)觀察器和卡爾曼濾波器可以進(jìn)行電動(dòng)機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí);采用滑模變結(jié)構(gòu)控制可增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒性。如能將各種智能控制理論有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，必將開(kāi)創(chuàng)交流伺服控制的新天地。如模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制都不需要精確的對(duì)象模型和參數(shù)，使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性。
傳感器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展也極大地提高了交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和定位精度。普遍采用的霍爾傳感器具有小于1μs的響應(yīng)時(shí)間。交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一般選用無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器、混合型的光電編碼器和絕對(duì)值編碼器作為位置、速度傳感器。隨著它們的轉(zhuǎn)速、分辨率的不斷提高，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、調(diào)速范圍以及低速性能也相應(yīng)提高。傳統(tǒng)的具有A、B(兩相信號(hào)的編碼器，由于它不能兼顧分辨率和高速度，且信號(hào)線太多，從而影響了高精度、高速度的伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。而新型的編碼器則克服了上述缺點(diǎn)，如日本FANUC公司生產(chǎn)的脈沖編碼器(絕對(duì)型)，由于它將來(lái)自正余弦信號(hào)的角度轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，使它具有4000r/min的高速以及高達(dá)1000000p/r或65536p/r的分辨率。另外，伺服電動(dòng)機(jī)本身也在向高速方向發(fā)展，與上述高速編碼器配合實(shí)現(xiàn)了60m/min甚至100m/min的快速進(jìn)給和1g的加速度。而在電動(dòng)機(jī)磁路設(shè)計(jì)上也作了改進(jìn)，使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)更加平滑，再配合高速數(shù)字伺服軟件，可使電動(dòng)機(jī)即使在小于1μm轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也顯得平滑而無(wú)爬行。以IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)和IPM(智能功率模塊)等新型電力電子器件為基礎(chǔ)的新一代高載波、低噪聲變頻器的開(kāi)發(fā)，以及新的控制軟件的引入，把變頻調(diào)速引入了一個(gè)全新的領(lǐng)域，使原來(lái)僅用于開(kāi)環(huán)控制的變頻器演變成了既能用于開(kāi)環(huán)控制,也能用于閉環(huán)控制的稱之為“通用型驅(qū)動(dòng)器”。以英國(guó)的CT公司的Unidrive產(chǎn)品和德國(guó)AMK公司的AMKASYN產(chǎn)品為代表，使變頻器登上了新的舞臺(tái)。
