伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析

1、伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析 作者：陳甫良來源：科技資訊 2014 年第 33 期陳甫良( 長(zhǎng)沙賽普爾自動(dòng)化工程設(shè)備有限公司湖南長(zhǎng)沙 410100)摘 要:伴隨著技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)化的不斷發(fā)展,加上在高精度化、高速化、小型化、高可靠 性、免維護(hù)性能以及多品種小批量化等方面不斷提高要求的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備 ,促使伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。因在機(jī)電設(shè)備中發(fā)揮著重要作用 ,方便、快速、靈活及準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)可由 高性能的伺服系統(tǒng)提供。21 世紀(jì)的今天,交流伺服系統(tǒng)越來越成熟,伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也取得了極大 的進(jìn)步,伺服控制技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化的支撐性技術(shù)之一。關(guān)鍵詞:伺服系統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展中圖分類號(hào):TP2

2、7 （2014)11 （c)-0061-02文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-3791通常我們提到的伺服,與伺服系統(tǒng)、伺服裝置、伺服機(jī)構(gòu)、伺服控制系統(tǒng)具有相同的意思 , 只是提法不同而已。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(jī)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(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角 )準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移 （或轉(zhuǎn)角)。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有根本上的區(qū)別。伺服控制系 統(tǒng)按驅(qū)動(dòng)元件類型可分為機(jī)電伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)以及氣動(dòng)伺服系統(tǒng)。1伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型繁多,就從自動(dòng)控制理論的角度來進(jìn)行分析 ,伺服控

3、 制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對(duì)象、檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)等五部分。1.1 控制器控制器通常是 PID 控制電路或計(jì)算機(jī), 控制器主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行 變換處理,用來控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。1.2 被控對(duì)象被控對(duì)象多指一些機(jī)械參數(shù)量,例如:位移、加速度、力、速度和力矩等。1.3 執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)的規(guī)則 ,將輸入的各形式能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能 ,驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工 作。1.4 檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要量綱的裝置 ,一般包括傳感器 （編碼器)和轉(zhuǎn)換電路。1.5 比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較 ,以獲得輸出

4、與輸入之間的偏差信 號(hào)。這個(gè)環(huán)節(jié)通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。2技術(shù)方面的要求因其自身的技術(shù)特點(diǎn),使伺服系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛。2.1 系統(tǒng)精度伺服系統(tǒng)精度指的是輸出量根據(jù)輸入信號(hào)要求的精確程度 ,以誤差的形式表現(xiàn),可概括為動(dòng) 態(tài)誤差、靜態(tài)誤差以及穩(wěn)態(tài)誤差。2.2 響應(yīng)特性響應(yīng)特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應(yīng)速度 ,這決定了伺服系統(tǒng)是否具有良好的效 率。影響響應(yīng)速度的因素有很多,例如:處理器的運(yùn)行速度、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的阻尼等都可以影響到響 應(yīng)速度。2.3 工作頻率工作頻率通常是指系統(tǒng)允許輸入信號(hào)的頻率區(qū)間。當(dāng)輸入正確的工作頻率信號(hào)時(shí) ,系統(tǒng)能夠 按指令要求正常地工作;而當(dāng)超出工作頻率外的信號(hào)輸入

5、時(shí) ,系統(tǒng)不能進(jìn)行正常工作。3伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀3.1 伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品3.1.1 伺服電機(jī)按容量將其分為大容量、中容量、小容量、超小容量（ MINI 型)四種類型。其中,功率在 2255KW 之間為大容量型,功率在 300W15KW 之間為中容量型,功率在 30750W 之間為小容量 型,功率在 1020W 之間為超小容量型。3.1.2 編碼器現(xiàn)在以信號(hào)線數(shù)量是 5 根的新型的位置編碼器居多 ,分為絕對(duì)值型和增量型兩種 ,具有 62.5s 的通信周期,12 位的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,4 M/s 的通信速率,高達(dá) 20 bit/rev 編碼器分辨率,也就 是說每轉(zhuǎn)生成 100 萬個(gè)脈沖,有高達(dá) 6000 r/mi

6、n 的轉(zhuǎn)速,且僅用 16A 電流。除了光電編碼器之外, 磁編碼器值得關(guān)注。磁編碼器的重量和體積都比光電編碼器小幾十倍 , 溫度范圍更寬,幾乎不怕沖擊和振動(dòng)。其工作原理非常簡(jiǎn)單 ,磁編碼器的定子是一顆內(nèi)嵌霍爾磁 敏元件和 DSP 的芯片,體積可以小到 MSOP-24 封裝,它的轉(zhuǎn)子是一顆兩極磁鋼。它的分辨率是 16 位,精度是 12 位。3.1.3 伺服控制單元伺服控制單元也叫伺服控制器或是伺服驅(qū)動(dòng)器。雖有較低成本、較快的相應(yīng)速度、連續(xù)性 較好的特點(diǎn),但傳統(tǒng)模擬控制會(huì)因?yàn)闇囟壬甙l(fā)生漂移 ,調(diào)試系統(tǒng)不易掌握,柔性化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難, 無法完成復(fù)雜的計(jì)算,對(duì)現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下的控制算法無法實(shí)現(xiàn)等。3.1

7、.4 上位控制從上面的 CNC 控制器、運(yùn)動(dòng)控制器及可編程控制器（ PLC),能連接到底端的 CNC 控制器、通 用輸入/輸出（I/O)控制單元。可控制單軸,在高達(dá) 44 軸的模式下也可控制,從模擬到網(wǎng)絡(luò)不同 類型的信號(hào)可通過控制器進(jìn)行連接。3.2 比較直流與交流伺服系統(tǒng)液壓的伺服系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為電氣伺服系統(tǒng),存在直流（DC)和交流（AC)兩種類型之分。直流伺服電機(jī)流行于 20 世紀(jì) 70 年代,但在 70 年代末至 80 年代初,其逐漸被交流伺服驅(qū)動(dòng) 技術(shù)取代,且當(dāng)時(shí)工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)就包括交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。由于電機(jī)本身有一定缺陷,所以直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展受到了影響。因直流伺服

8、電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù) 雜、轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中溫度逐漸升高 ,使其無法精準(zhǔn)確地連接其他機(jī)械設(shè)備 ,而且在大容量和高 速的情況很難派上用場(chǎng)。因此 ,直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)機(jī)械轉(zhuǎn)向器的發(fā)展瓶頸就產(chǎn)生了。負(fù)荷特性和低慣性是交流伺服電機(jī)兩大特點(diǎn)。這個(gè)就體現(xiàn)了交流伺服電機(jī)的比較優(yōu)勢(shì)。因 為直流伺服電機(jī)換向器、電刷等部件所造成的各種問題在交流伺服電機(jī)中都被避免了 ,因此,包 括工廠自動(dòng)化（FA)在內(nèi)的許多領(lǐng)域都廣泛使用交流伺服系統(tǒng)。4發(fā)展趨勢(shì)最開始是火炮控制、船舶的自動(dòng)駕駛及指揮儀使用伺服控制系統(tǒng) ,發(fā)展到后來, 其被廣泛推 廣,尤其是在導(dǎo)彈、飛船、天線位置控制、工業(yè)自動(dòng)化方面都有使用。伺服系統(tǒng)方便、快速、靈活、準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)在

9、機(jī)電設(shè)備中發(fā)揮了重要的作用 ,其發(fā)展與伺服電 機(jī)的發(fā)展相輔相成 ,伺服驅(qū)動(dòng)早在 20 世紀(jì) 60 年代以前,不是液壓的就是直接以驅(qū)動(dòng)為主要特征 的伺服電機(jī),采取開環(huán)控制的方法來進(jìn)行位置控制。直流伺服電機(jī)則是在 6070 年代出現(xiàn)并迅 速發(fā)展起來的,其在工業(yè)等相關(guān)的領(lǐng)域有了空前的發(fā)展和推廣,其采用的開環(huán)控制方法也被閉環(huán) 控制所取代。永磁式直流電機(jī)一直以來都在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用中占主導(dǎo)作用 ,它沒有勵(lì)磁的耗損 ,很 容易就能使電路得到控制,有較好的低速性能。自 20 世紀(jì) 80 年代開始,交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到 迅猛發(fā)展,與此同時(shí),交流伺服系統(tǒng)的性能也在不斷地提高 ,相應(yīng)的伺服傳動(dòng)裝置也在不斷的發(fā)展 ,

10、經(jīng)歷了模擬式、數(shù)?；旌鲜胶腿珨?shù)字化過程。交流伺服在 90 年代得到了迅猛的發(fā)展,到了 21 世 紀(jì),其已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化控制的上世紀(jì) 90 年代交流伺服成為取得突破性發(fā)展。進(jìn)入 21 世紀(jì),交流伺服技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化控制的主要使用技術(shù)?？傮w上來看 ,伺服系統(tǒng)可以往下面幾個(gè)方 面發(fā)展。4.1 交流化方面由原來的 DC 伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成 AC 伺服系統(tǒng)。目前,AC 伺服系統(tǒng)幾乎占據(jù)了國(guó)際市場(chǎng) ,發(fā)達(dá)國(guó) 家的 AC 伺服電機(jī)在所有產(chǎn)品中的占有率達(dá)到了 80%以上,但是在國(guó)內(nèi)可以生產(chǎn) AC 伺服系統(tǒng)的企 業(yè)幾乎找不到。由此推斷,在不久的將來,除了少數(shù)微型電機(jī)領(lǐng)域以外的原來 DC 伺服電機(jī)占據(jù)的 市場(chǎng)外

11、,所有的市場(chǎng)將被 AC 伺服電機(jī)占有。4.2 全數(shù)字化方面以電子器件為主的伺服控制單元將被使用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)的完全 取代,進(jìn)而促進(jìn)伺服系統(tǒng)的全數(shù)字化。實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化 ,對(duì)實(shí)現(xiàn)軟件伺服控制十分有利,而使得現(xiàn) 代控制理論的模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、人工智能、最優(yōu)控制等先進(jìn)算法能應(yīng)用于伺服系統(tǒng)。4.3 小型化和微型化目前,如功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET) 、絕緣門極晶體管（IGBT)、晶體管（GTR)等大部分新型功 率半導(dǎo)體器件被伺服控制系統(tǒng)采用。通過這些器件的利用 ,使伺服單元輸出回路的功耗有所下降 , 系統(tǒng)的反映速度也有所加強(qiáng),消除工作噪聲。尤其是開始使用智能控制功率模塊（ In

12、telligent Power Modules,簡(jiǎn)稱 IPM) 伺服控制系統(tǒng),其將能耗制動(dòng)、過溫、過壓、過流保護(hù)、輸入隔離及 故障診斷等功能全都集成在了一個(gè)不是很大的模塊當(dāng)中。4.4 高度集成化新型的伺服系統(tǒng)將原有伺服系統(tǒng)劃分方法進(jìn)行了升級(jí) ,利用單一的、集成且功能強(qiáng)大的控制 單元控制系統(tǒng)。同一控制單元有相同功能的,其單元的性能可以通過軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)來改變。 此外,還可以通過接口和外部設(shè)備位置或者力矩傳感器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來改變。使得設(shè)備本 身自帶傳感器組成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。在集成化提高的同時(shí) ,也明顯減少了整個(gè)控制系統(tǒng)的空間 , 使整個(gè)設(shè)備的安裝和調(diào)試簡(jiǎn)單化。4.5 智能化方面目前所有工業(yè)

13、控制設(shè)備發(fā)展的大趨勢(shì)就是智能化,而伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種高級(jí)的工業(yè)控制 裝置也不可避免。智能型產(chǎn)品是如今最新的信息化伺服控制單元的設(shè)計(jì)形式。而所謂的智能則 主要體現(xiàn)在下面幾個(gè)功能上:首先,參數(shù)記憶的功能可以實(shí)現(xiàn) ,通過人機(jī)對(duì)話,完成系統(tǒng)中所有參 數(shù)的相關(guān)設(shè)計(jì),利用軟件設(shè)置的方法進(jìn)行相應(yīng)的修改 ,存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)通過保存伺服單元來實(shí)現(xiàn)。利 用通信接口和上位計(jì)算機(jī)來修改相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)。其次 ,伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有自診斷系統(tǒng),可以 進(jìn)行自身故障分析 ,將系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題原因和診斷結(jié)果實(shí)時(shí)反映到用戶的界面 ,便于工作 人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和及時(shí)維護(hù)。最后 ,某些伺服系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了參數(shù)自整定的程序。與此同時(shí) ,

14、為了使得系統(tǒng)性能穩(wěn)定,必須要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié) ,耗費(fèi)大量人力、物力。伺服單元帶有 自整定功能的可以在試運(yùn)行的過程中 ,對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)整定,使設(shè)備達(dá)到最優(yōu)化的程度, 這也是伺服系統(tǒng)未來的發(fā)展方向,對(duì)用戶提供新型服務(wù)。4.6 高抗干擾性伺服系統(tǒng)有兩方面的抗干擾能力,其中一方面是對(duì)于周邊設(shè)備 ,伺服系統(tǒng)沒有干擾;另一方面 是伺服系統(tǒng)不被周邊設(shè)備所干擾。從干擾介質(zhì)上分類干擾為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾等。解決辦法 也應(yīng)該從干擾源上分析來著手解決 ,防止干擾的常用方法有:加超導(dǎo)磁環(huán)、隔離、濾波器、屏蔽等。有專家提出了一種消除干擾脈沖和因電機(jī)軸抖動(dòng)而產(chǎn)生的誤碼脈沖的算法 ,將此算法應(yīng)用于 實(shí)際的交流

15、伺服控制系統(tǒng)中,結(jié)果顯示在編碼器分辨率不變的前提下 ,系統(tǒng)的檢測(cè)精度得到極大 提高。4.7 模塊化和網(wǎng)絡(luò)化在國(guó)外,工廠自動(dòng)化（Factory Automation,FA) 工程技術(shù)在飛速發(fā)展,并且顯示發(fā)展勢(shì)頭非 常旺盛。它以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的 ,為適應(yīng)工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) ,專用的局域網(wǎng)接口和 標(biāo)準(zhǔn)如 RS-232C 或 RS-422 等串行通信接口在新型的伺服系統(tǒng)中都有配置。設(shè)置這些接口使伺服 單元同其他控制設(shè)備之間相互聯(lián)接的能力明顯的增強(qiáng)了 ,進(jìn)而也更容易與 CNC 控制系統(tǒng)相連接了, 想要把幾臺(tái)甚至是數(shù)十臺(tái)的伺服單元與上位計(jì)算機(jī)連接組合成一個(gè)大的數(shù)控系統(tǒng) ,僅僅用一根光 纜或者是電纜就可以做到。此外,還可通過串行接口,連接可編程控制器（PLC) 的數(shù)控模塊。5結(jié)語(yǔ)綜上所述,伺服系統(tǒng)發(fā)展的方向是為了滿足產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的要求。已成為工業(yè)自動(dòng)化的支撐性技 術(shù)之一的伺服控制技術(shù),將致力于往智能型、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化