伺服系統(tǒng)分析報告

1、伺服系統(tǒng)分析報告伺服系統(tǒng)（servomechanism）又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制 系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、 速度和位置控制非常靈活方便。在很多情況下，伺服系 統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用 是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），其結(jié)構(gòu)組成和其他形式 的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。中文名外文名另稱作用伺服系統(tǒng)servomecha

2、nism隨動系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)目錄1、伺服系統(tǒng)的概述2、伺服系統(tǒng)的分類3、伺服系統(tǒng)的性能要求4、伺服系統(tǒng)的主要特點5、伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)6、伺服電機的工作原理7、伺服電機的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀8、伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程伺服系統(tǒng)的概述：用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。又稱隨動系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是 使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其 他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。伺服系統(tǒng)最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中， 后來逐漸推廣到很多領(lǐng)域， 特別是自動車床、天線位

3、置控制、導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等。 采用伺服系統(tǒng)主要是為了達到下面幾個 目的：以小功率指令信號去控制大功率負載?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦?。在沒有機械連接的情況下， 由輸入軸控制位于遠處的輸出軸，實現(xiàn)遠距同步傳動。 使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。伺服系統(tǒng)的分類：從系統(tǒng)組成元件的性質(zhì)來看，有電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和電氣-液壓伺服系統(tǒng)及電氣- 電氣伺服系統(tǒng)等從系統(tǒng)輸出量的物理性質(zhì)來看，有速度或加速度伺服系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)等從系統(tǒng)中所包含的元件特性和信號作用特點來看，有模擬式伺服系統(tǒng)和數(shù)字式伺服系統(tǒng) 從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點來看，有單回伺服系統(tǒng)、多回伺服系統(tǒng)和開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服

4、系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的性能要求：對伺服系統(tǒng)的基本要求有穩(wěn)定性、精度和快速響應(yīng)性。穩(wěn)定性： 作用在系統(tǒng)上的擾動消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行或者在輸入指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力精度：輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的精確程度快速響應(yīng)性：有兩方面含義，一是指動態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量隨輸入指令信號變化的迅速程度，二是指動態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度伺服系統(tǒng)的主要特點：4.1. 精確的檢測裝置：以組成速度和位置閉環(huán)控制；4.2. 有多種反饋比較原理與方法：根據(jù)檢測裝置實現(xiàn)信息反饋的原理不同，伺服系統(tǒng)反饋比較的方法也不相同。常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較3 種；4.3. 高性能的伺服

5、電動機（簡稱伺服電機）：用于高效和復(fù)雜型面加工的數(shù)控機床，伺服系統(tǒng)將經(jīng)常處于頻繁的啟動和制動過程中。要求電機的輸出力矩與轉(zhuǎn)動慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動力矩。要求伺服電機在低速時有足夠大的輸出力矩且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以便在與機械運動部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)；4.4. 寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即速度伺服系統(tǒng)：從系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)看，數(shù)控機床的位置閉環(huán)系統(tǒng)可看作是位置調(diào)節(jié)為外環(huán)、速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，其內(nèi)部的實際工作過程是把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度給定信號后，再通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機，實現(xiàn)實際位移。數(shù)控機床的主運動要求調(diào)速性能也比較高，因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調(diào)速系統(tǒng)。伺

6、服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：服系統(tǒng)主要由三部分組成:控制器,功率驅(qū)動裝置,反饋裝置和電動機.控制器按照數(shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差,調(diào)節(jié)控制量;功率驅(qū)動裝置作為系統(tǒng)的主回路一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動機之上,調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)矩的大小,另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動機所需的交流電或直流電; 電動機則按供電大小拖動機械運轉(zhuǎn)。伺服電機的工作原理:伺服電機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。伺服電機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，減

7、速齒輪組由電機驅(qū)動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動電機正向或反向地轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達到使伺服電機精確定位的目的。伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場， 轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。伺服電機的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀：中國伺服系統(tǒng)行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告顯示，我

8、國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的不斷推進，為我國伺服產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了巨大的市場，近年來，隨著數(shù)控機床、包裝機械、電子 專用設(shè)備等行業(yè)繼續(xù)保持較好發(fā)展以及交流伺服技術(shù)的日益成熟，新興行業(yè)如新能源行業(yè)中的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)伺服技術(shù)的應(yīng)用使得我國伺服市場迅速發(fā)展，2010年，我國伺服市場同比增長39.7%,市場規(guī)模達到 39.9億元。 很多有遠識的國產(chǎn)廠商正加大研發(fā)力度提升其產(chǎn)品的性能，進而擴大其品牌的號召力，國產(chǎn)伺服廠商改變進口壟斷格局將指日可待。由此預(yù)測，未來五年，我國伺服系統(tǒng)行業(yè)受益于產(chǎn)業(yè)升級的影響，仍將保持 20%以上的增長速度，至 2015年，我國伺服系統(tǒng)行業(yè)市場規(guī)模有 望突破100億元，其中，國產(chǎn)伺服產(chǎn)品的市場

9、占有率將達到40%左右。伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程：8.1. 直流伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動的電機類型分為直流（DC）伺服系統(tǒng)和交流（AC）伺服系統(tǒng)。50年代，無刷電機和直流電機實現(xiàn)了產(chǎn)品化，并在計算機外圍設(shè)備和機械設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。70年代則是直流伺服電機的應(yīng)用最為廣泛的時代。8.2. 交流伺服系統(tǒng)從70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術(shù)、 大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電 機永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價格比的日益提高，交流伺服技術(shù)一交流伺服電機和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(chǔ) 技術(shù)之一

10、，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動電動機的類型來分，主要有兩大類：永磁同步（SM型）電動機交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步（IM型）電動機交流伺服系統(tǒng)。其中，永磁同步電動機交流伺 服系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能，并可實現(xiàn)弱磁高速控制， 拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍， 適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動的要求。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，其在工業(yè)生產(chǎn)自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越廣泛，目前已成為交流伺服系統(tǒng)的主流。感應(yīng)式異步電動機交流伺服系統(tǒng)由于感應(yīng)式異步電動機結(jié)構(gòu)堅固，制造容易，價格低廉，因而具有很好的發(fā)展前景，代表了將來伺服技術(shù)的方向。但由于該系統(tǒng)采用矢量變換控制

11、，相對永磁同步電動機伺服系統(tǒng)來說控制比較復(fù)雜，而且電機低速運行時還存在著效率低，發(fā)熱嚴重等有待克服的技術(shù)問題，目前并未得到普遍應(yīng)用。系統(tǒng)的執(zhí)行元件一般為普通三相鼠籠型異步電動機，功率變換器件通常采用智能功率模塊 IPM。為進一步提高系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能，可采用位置和速度閉環(huán)控制。三相交流電流的 跟隨控制能有效地提高逆變器的電流響應(yīng)速度，并且能限制暫態(tài)電流，從而有利于IPM的安全工作。速度環(huán)和位置環(huán)可使用單片機控制，以使控制策略獲得更高的控制性能。電流調(diào)節(jié)器若為比例形式，三個交流電流環(huán)都用足夠大的比例調(diào)節(jié)器進行控制，其比例系數(shù)應(yīng)該在保證系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩的前提下盡量選大些，使被控異步電動機三相交流電

12、流的幅值、相位和頻率緊隨給定值快速變化，從而實現(xiàn)電壓型逆變器的快速電流控制。電流用比例調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單、電流跟隨性能好以及限制電動機起制動電流快速可靠等諸多優(yōu)點。8.3. 交直流伺服系統(tǒng)的比較直流伺服驅(qū)動技術(shù)受電機本身缺陷的影響，其發(fā)展受到了限制。直流伺服電機存在機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 維護工作量大等缺點，在運行過程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機械設(shè)備的精度， 難以應(yīng)用到高速及大容量的場合，機械換向器則成為直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸。交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的過負荷特性和低慣性更體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。所以交流伺服系統(tǒng)

13、在工廠自動化（FAA等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。從伺服驅(qū)動產(chǎn)品當(dāng)前的應(yīng)用來看，直流伺服產(chǎn)品正逐漸減少，交流伺服產(chǎn)品則日漸增加，市場占有率逐步擴大。在實際應(yīng)用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服產(chǎn)品已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。8.4. 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢從前面的討論可以看出，數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣，用戶對伺服驅(qū)動技術(shù)的要求越來越高?？偟膩碚f，伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個方面：8.4.1 交流化伺服技術(shù)將繼續(xù)迅速地由DC伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向AC伺服系統(tǒng)。從目前國際市場的情況看，幾乎所有的新產(chǎn)品都是 AC伺服系統(tǒng)。在工業(yè)發(fā)達國家，AC伺服電機的市場占有率已經(jīng)超過80%。在國內(nèi)生產(chǎn)AC伺服電機

14、的廠家也越來越多，正在逐步地超過生產(chǎn) DC伺服電機的廠家。 可以預(yù)見，在不遠的將來，除了在某些微型電機領(lǐng)域之外，AC伺服電機將完全取代 DC伺服電機。8.4.2 全數(shù)字化采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機（DSP）的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(xiàn)，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進算法（如 :最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等）成為可能。8.4.3 采用新型電力電子半導(dǎo)體器件目前， 伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來越多地采用開關(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，主要有大功率晶

15、體管（GTRR、功率場效應(yīng)管（MOSFET和絕緣門極晶體管（IGBT）等。這些先 進器件的應(yīng)用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了運行噪聲。 尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關(guān)器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊（Intelligent?Power?Modules ,簡稱IPM）。這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、 過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與 TTL信號完全兼容，與微處理器的輸出可以直接接口。它的應(yīng)用顯著地簡化了伺服單元的設(shè)計，并實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微

16、型化。8.4.4 高度集成化新的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。同一個控制單元，只要通過軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)， 就可以改變其性能，既可以使用電機本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。高度的集成化還顯著地縮小了整個控制系統(tǒng)的體積，使得伺服系統(tǒng)的安裝與調(diào)試工作都得到了簡化。8.4.5 智能化智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為一種高級的工業(yè)控制裝置當(dāng)然也不例外。最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設(shè)計為智能型產(chǎn)品，它們的智能化特點表

17、現(xiàn)在以下幾個方面:首先他們都具有參數(shù)記憶功能，系統(tǒng)的所有運行參數(shù)都可以通過人機對話的方式由軟件來設(shè)置，保存在伺服單元內(nèi)部，通過通信接口，這些參數(shù)甚至可以在運行途中由上位計算機加以修改，應(yīng)用起來十分方便;其次它們都具有故障自診斷與分析功能，無論什么時候，只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶界面清楚地顯示出來，這就簡化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性;除以上特點之外，有的伺服系統(tǒng)還具有參數(shù)自整定的功能。眾所周知，閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標的重要環(huán)節(jié)，也是需要耗費較多時間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運行，自動將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來，并自動實現(xiàn)其最優(yōu)化。對于使用伺服單元的用戶來說，這是新型伺服系統(tǒng)最具吸引力的特點之一。8.4.6 模塊化和