伺服系統(tǒng)的發(fā)展和應用常識

隨著信息、通訊與自動化技術的發(fā)展，種類繁多的自動控制裝置逐漸進進了人們的日常生活。網絡通訊技術不僅為人們提供了方便的通訊手段，實際上也為各式各樣的電子裝置提供了簡易可靠的通訊渠道，借助于新式的網絡通訊技術與計算功能強大的數(shù)字信號處理器芯片（DSP），可以開展出多種具有基本智能的信息家電設備（smart information appliance），例如可以幫助清潔工作的機器人、可供娛樂的電子機械寵物等等。這些結合機械、電子、通訊、控制、信息技術融合裝置的核心部分就是具有網絡界面的伺服系統(tǒng)控制器（network servo controller）。伺服技術已廣泛的應用于我們的日常生活，例如光碟機光學讀取頭的伺服控制、遠控飛機的機翼控制、數(shù)字相機的自動對焦控制、具有影像追蹤功能的網絡攝像監(jiān)控系統(tǒng)、汽車自動駕駛等等，伺服系統(tǒng)涉及范圍涵蓋廣泛，多學科交叉色彩濃厚。

伺服控制系統(tǒng)的應用

伺服控制系統(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域，特別是自動車床、天線位置控制、導彈和飛船的制導等。

采用伺服系統(tǒng)主要是為了達到下面幾個目的：

① 以小功率指令信號去控制大功率負載。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。

② 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。

③ 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)的發(fā)展和應用常識

伺服系統(tǒng)的發(fā)展

伺服系統(tǒng)在機電設備中具有重要的地位，下面簡單談談其發(fā)展歷程：

（1） 直流伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)的發(fā)展經歷了由液壓到電氣的過程。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅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)了產品化，并在計算機外圍設備和機械設備上獲得了廣泛的應用。70年代則是直流伺服電機的應用最為廣泛的時代。

（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、大功率高性能半導體功率器件技術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—交流伺服電機和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導產品。交流伺服驅動技術已經成為工業(yè)領域實現(xiàn)自動化的基礎技術之一，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)的調速范圍，適應了高性能伺服驅動的要求。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)生產自動化領域中的應用將越來越廣泛，目前已成為交流伺服系統(tǒng)的主流。感應式異步電動機交流伺服系統(tǒng)由于感應式異步電動機結構堅固，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的方向。但由于該系統(tǒng)采用矢量變換控制，相對永磁同步電動機伺服系統(tǒng)來說控制比較復雜，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問題，目前并未得到普遍應用。

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節(jié)器進行控制，其比例系數(shù)應該在保證系統(tǒng)不產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。電流用比例調節(jié)，具有結構簡單、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。

（3）交直流伺服系統(tǒng)的比較

直流伺服驅動技術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構復雜、維護工作量大等缺點，在運行過程中轉子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機械設備的精度，難以應用到高速及大容量的場合，機械換向器則成為直流伺服驅動技術發(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)在工廠自動化（FA）等各個領域得到了廣泛的應用。

從伺服驅動產品當前的應用來看，直流伺服產品正逐漸減少，交流伺服產品則日漸增加，市場占有率逐步擴大。在實際應用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服產品已經成為主流產品。

（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)的應用越來越廣，用戶對伺服驅動技術的要求越來越高?？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：

1. 交流化

伺服技術將繼續(xù)迅速地由DC伺服系統(tǒng)轉向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　　市場占有率已經超過80%。在國內生產AC伺服電機的廠家也越來越多，正在逐步地超過生產DC伺服電機的廠家?？梢灶A見，在不遠的將來，除了在某些微型電機領域之外，AC伺服電機將完全取代DC伺服電機。

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、神經元網絡等）成為可能。

3. 采用新型電力電子半導體器件

目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來越多地采用開關頻率很高的新型功率半導體器件，主要有大功率晶體管（GTR）、功率場效應管（MOSFET）和絕緣門極晶體管（IGBT）等。這些先進器件的應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)已經開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關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。它的應用顯著地簡化了伺服單元的設計，并實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。

4. 高度集成化

新的伺服系統(tǒng)產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成半閉環(huán)調節(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成高精度的全閉環(huán)調節(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)的安裝與調試工作都得到了簡化。

5. 智能化

智能化是當前一切工業(yè)控制設備的流行趨勢，伺服驅動系統(tǒng)作為一種高級的工業(yè)控制裝置當然也不例外。最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設計為智能型產品，它們的智能化特點表現(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置，保存在伺服單元內部，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試的復雜性;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。

6. 模塊化和網絡化

在國外，以工業(yè)局域網技術為基礎的工廠自動化（Factory AutomaTIon 簡稱FA）工程技術在最近十年來得到了長足的發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢頭。為適應這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標準的串行通信接口（如RS-232Ｃ或RS-422接口等）和專用的局域網接口。這些接口的設置，顯著地增強了伺服單元與其它控制設備間的互聯(lián)能力，從而與CNC系統(tǒng)間的連接也由此變得十分簡單，只需要一根電纜或光纜，就可以將數(shù)臺，甚至數(shù)十臺伺服單元與上位計算機連接成為整個數(shù)控系統(tǒng)。也可以通過串行接口，與可編程控制器（PLC）的數(shù)控模塊相連。

綜上所述，伺服系統(tǒng)將向兩個方向發(fā)展。一個是滿足一般工業(yè)應用要求，對性能指標要求不高的應用場合，追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅動產品，如變頻電機、變頻器等。另一個就是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導產品—伺服電機、伺服控制器，追求高性能、高速度、數(shù)字化、智能型、網絡化的驅動控制，以滿足用戶較高的應用要求。