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伺服驱动系统的作用是将进给位移量等信息转换成机床的进给运动，自动化反馈控制使得伺服驱动系统能够按照NC的控制指令，经电力电子功率变换装置的变换、放大与整形后驱动伺服电动机带动机械传动机构的机床坐标轴、主轴等部件准确地运动，使机械部件按照规定的速度到达指定的位置，通过多轴联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出形状复杂、精度高的工件，所以高精度的机床必须依赖高性能的伺服驱动系统。掌握伺服驱动系统的控制功能、结构特点，在机床改造中选择合适的伺服驱动系统。
840D数控系统的驱动装置通常采用SIMODRIVE611D伺服驱动系统。611D驱动采用模块化设计，包括输入滤波器、整流电抗器、电源模块、功率单元、控制单元、电源监控模块以及专用模块等。611D的所有模块具有统一的模块化结构，供电和通信之间的接口以及控制单元和馈电模块之间的接口都实现了标准化，电源电缆、信号电缆、总线电缆采取实用的方式连接。电源模块是为840D的NCU单元和驱动模块及功率模块提供电源的整流单元，其产生P600与M600直流母线电压，电子电源产生24V与15V工作电压、使能信号、故障监控信号，同时监测电源和模块状态。电源模块根据其不同的输入及回馈方式，可分为UI电源模块（非稳压型馈电模块）和I/RF电源模块（稳压型馈电模块/再生反馈单元）。611D驱动模块一般由功率单元和控制单元以及驱动总线组成，伺服控制单元实现速度、电流闭环反馈控制。通常有标准型和高性能控制型，按照伺服轴数可以分为单轴型和双轴型。
840Dsl/828D数控系统的驱动装置采用西门子SINAMICSS120伺服驱动系统。S120是基于电压型PWM变流控制技术工作原理的全数字化交流伺服进给系统，输入侧是整流部分，把三相交流电转换成直流母线电压，中间有大容量的电容器起到平滑电流的作用，输出侧是逆变部分，把直流母线电压换成频率和电压可变的三相交流电。
交流伺服系统向数字化方向发展是适应高速、高精度机械加工的需要。伺服位置系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化，伺服的全部控制模型和动态补偿均由高速微处理器及控制软件进行实时处理，采样周期只有零点几毫秒。三环反馈全由CNC软件进行数字PID控制算式处理，PID控制的参数 K I 、 K D 、 K P 可以设定，软件伺服比硬件伺服更灵活，算法结构和参数均可以改变，因此，可以比硬件伺服具有更好的动态、静态性能。S120伺服进给系统在进行参数结构化调整时，是借助数控系统驱动调试功能或计算机专用伺服调试软件自动进行的，通过驱动系统自动设备配置、自动升级驱动系统固件、驱动系统出厂设置、驱动系统的拓扑识别（硬件的自动识别）与配置、自动驱动优化、电流速度位置环的测量调整、圆度测试调整后，自动完成S120伺服进给系统的匹配调整，并且获得极佳的动态、静态特性。
FANUC0iD数控系统与αi系列伺服驱动系统及伺服电动机配套使用。
FANUCαi系列伺服驱动系统硬件由伺服轴控制卡、放大器、电动机、反馈装置等组成。
伺服轴控制卡：数字伺服轴控制卡接口COP10A-1输出脉宽调制指令信号，并通过FSSB（FANUCSerialServoBus，发那科串行伺服总线）光缆与伺服放大器接口COP10B相连，将伺服控制的调节方式、伺服算法模型，甚至脉宽调制以软件的形式融入CNC系统软件中。FSSB伺服总线将一台主控器和多台从伺服控制器用光缆连接起来，通过CNC参数自动设定。
放大器：伺服放大器接收通过FSSB输入的脉宽调制信号，经过前级放大驱动IGBT大功率晶体管输出电动机电流。α/αi系列伺服由电源模块PSM、主轴放大器模块SPM、伺服放大器模块SVM组成。
PSM电源模块是为主轴和伺服提供逆变直流电源的模块，3相200V输入电压经过PSM处理后，向直流母线输送DC300V电压供主轴和伺服放大器使用。另外，PSM模块中还有输入保护电路，通过外部急停信号或内部继电器控制MCC主接触器，起到输入保护作用。SPM主轴放大器模块接收CNC发出的串行指令信号，经过变频调速控制向主轴电动机输出动力电。主轴放大器的JY2和JY4接口分别接收主轴速度反馈信号和主轴位置编码器信号。SVM伺服放大器模块接收通过FSSB总线输入的CNC轴控制指令信号，同时放大器上的JFn接口接收伺服电动机轴直连的脉冲编码器的反馈信号和并送位置反馈信号，通过FSSB总线光缆再传输到CNC中进行处理。
伺服电动机或主轴电动机、放大器输出的驱动电流产生旋转磁场，驱动转子旋转。
（1）确定伺服电动机 交流同步伺服进给电动机的主要参数有额定转矩、额定速度、转动惯量、径向受力以及过载能力等。在额定速度范围内，进给电动机的转矩变化非常小，可为恒定转矩，电动机具有非常好的动态特性。选择电动机时需根据具体的机械负载、传动比和传动速度，以确定伺服电动机的功率、转矩、转速等参数进行计算，并对计算结果进行验算，电动机与负载之间不仅要求转矩的匹配，还要求转动惯量的匹配，只有这样才能得到更好的动态特性；如果进给电动机与负载之间的惯量不匹配，将直接影响进给轴的加速特性，如果电动机的惯量选择过小，尽管转矩方面能够达到要求，但是进给轴的加速度可能满足不了，快速特性得不到保证，最终导致零件加工的精度降低和表面粗糙度值升高。因此必须结合实际工程经验选择合适的伺服电动机。
（2）根据伺服电动机的参数确定伺服系统的容量及型号 根据伺服电动机的参数确定伺服系统的容量（电流）时，应考虑电动机起停时的过载能力。
（3）依据数控电气系统闭环或半闭环的控制方式选择测量系统 测量装置的位置信号反馈到数控装置、速度信号反馈到伺服驱动装置，测量装置输出的电信号有频率和电压的特征，这两个特征参数要与相应的接口匹配，否则会造成系统运行不正常或精度变差。
（4）伺服系统与数控系统接口的匹配 伺服驱动装置是数控装置与伺服电动机之间的驱动连接部件，伺服驱动是按照电动机的类型选取的，在考虑其运转性能与电动机匹配的同时，也要考虑其接口数据与数控装置相匹配。
（1）电动机的计算方法欠精确 在改造中选择电动机时，进行简单计算后，若大致选一个性能参数远远大于要求的电动机，这会造成浪费；若凭着经验大约选一个电动机，这可能会出现选择的电动机性能不够，造成电动机运行不理想，加工精度低。选择伺服电动机时，应根据控制方式、机床负载特性等参数，经过计算，并进行验算进行选择。
（2）伺服系统的类型与电动机不匹配 不同的控制系统选择不同类型的电动机，一定要计算系统的传动比和传动速度等参数。驱动系统的精度要求决定了电动机的运行精度，因此伺服系统与电动机的类型选择要慎重。
（3）测量装置与数控系统伺服驱动系统接口信号参数不匹配 测量装置输出的电信号有频率和电压的特征，必须与数控装置的位置反馈的输入信号、伺服驱动装置的速度输入信号相匹配，根据实际要求选择系统的控制方式、闭环或半闭环，选择速度与位置检测元件，并正确设置接口参数。
（4）伺服驱动系统与数控系统接口不合适 伺服驱动装置是连接数控装置与伺服电动机之间的连接部件，在选择驱动装置时，驱动系统是按照电动机的类型选取的，同时也要考虑其接口数据与数控装置相匹配。要特别注意伺服系统的接口信号要与数控系统、伺服电动机、测量反馈装置相匹配。在改造时，应尽量选择同一厂家生产的数控系统、伺服系统、伺服电动机。
伺服电动机是根据负载条件来选取的。加在电动机轴上的负载主要有负载转矩和负载惯量，其中负载转矩包括切削转矩和摩擦转矩。负载转矩应小于所选择电动机的额定转矩，负载转矩与加减速动态转矩之和应小于所选择电动机的最大转矩。加减速动态转矩应考虑与负载惯量和电动机惯量的匹配，同时还应考虑连续过载时间在所选电动机的允许范围内，负载快速运动时所需的电动机转速应在所选电动机的最高转速范围之内。这样可使电动机在机床伺服系统连续工作中稳定运行而不过热。在炎热的工作环境下，注意所选电动机上应带有风扇和保持电动机四边风冷通道的通畅。
根据原改造机床的部分参数和对比同类机床的相关部分参数，举例预选机械结构参数见表2-1。
表2-1 预选机械结构参数
电动机选择计算如下：
根据电动机选择要求，对其加速、匀速、减速各段的时间进行计算，如图2-2所示。
图2-2 电动机速度图
要求驱动电动机速度：
采用直联结构，所以减速比 i =1/ R =1/1，选取电动机额定转速 n N ≥ n max
施加于电动机轴上的负载转矩通常用以下简单公式计算（工件质量较轻，约0.25kg，可以忽略不计）。
式中， T L 为电动机轴上的负载转矩（N·cm）； F 为需要使滑台（工作台）以轴向运动的力（N）； η 为传动系统的效率； l 为电动机轴每转机械移动量（mm）； T c 为不包含在“ η ”内的滚珠丝杠副、轴承等部件折算到电动机轴上的摩擦转矩。
F 取决于工作台质量、摩擦系数、水平或垂直方向的切削推力，垂直轴场合是否配重平衡等因素。在水平方面使用场合， F 值大小举例计算如下：
选取减速比 R =1 /i =1，忽略轴向运动力 fg 。
不管是直线运动还是旋转运动，对所有由电动机驱动的运动部件的惯量分别计算，并按照规则相加即可得到负载惯量的准确数值。通过以下基本公式就能得到几乎所有情况下的负载惯量。
（1）直线运动体的惯量 用下式计算诸如工作台、工件等部件的惯量
式中，
W
为直线运动体的质量（kg）；
P
B
为以直线方向电动机每转的移动量（cm或m）。直线运动体：
滚珠丝杠：
式中，
γ
为滚珠丝杠的密度，取7.87g/cm
3
。联轴器：
电动机轴上的负载惯量： J L = J L1 + J B + J C =0.009kg·m 2 （2-23）
（2）运转功率计算公式由式（2-18）得 T L =4.17N·m，由式（2-15）得 N max =2000r/min，则
（3）加速功率计算公式 由式（2-23）得 J L =0.009kg·m 2 ，由式（2-14）得 t a =0.05s，则
（4）伺服电动机系统 选用条件如下：
2 T L ≤电动机额定转矩
P a + P 0 =（1～2）电动机额定输出
N M ≤电动机额定速度
J L ≤伺服系统的允许负载惯量
根据以上条件，选用2000r/min系列8.7kW1FT6105-8AC7伺服电动机。
额定数据如下：
额定输出功率： P 0 =8.7（kW）额定转速： N m =2000（r/min）
额定转矩： T 0 =50（N·m）峰值转矩： T max =150（N·m）
电动机惯量：168×10 -4 kg·m 2
PG脉冲数：2500（P/r）
（5）伺服电动机确认
1）所需加速转矩为
=112.4N·m<峰值转矩 可用
2）所需制动转矩：
=103.9N·m<峰值转矩 可用
3）连续工作转矩：
T =19.789N·m
要求满足： T < T n
伺服驱动电动机的选择计算总结：
1） T pa < T max ， T pd< T max，即所选电动机最大转矩大于加减速动态转矩。
2） T < T n ，所选电动机额定转矩大于连续工作转矩。
3）2 T L ≤ T n ，所选电动机额定转矩大于2倍负载转矩。
4）本次改造所选的电动机额定转矩（50N·m）大于12倍负载转矩（4.17N·m），是因为在实际工程中，改造的冲床在每分钟200冲次下工作，电动机处于频繁加速、减速动态过渡过程调节状态中，若按照平常所选电动机额定转矩大于2倍负载转矩去选择电动机，将会因发热而无法连续工作。
从以上计算数据分析结果与工程经验出发所选用的交流伺服电动机满足设计要求。