伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

陳甫良

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)自動化設(shè)備，促使伺服驅(qū)動技術(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)自動化的支撐性技術(shù)之一。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng) 工業(yè)自動化 發(fā)展

中圖分類號：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（c）-0061-02

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，就從自動控制理論的角度來進(jìn)行分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、檢測環(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控制電路或計算機(jī)， 控制器主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進(jìn)行變換處理，用來控制執(zhí)行元件按要求動作。

1.2 被控對象

被控對象多指一些機(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的規(guī)則，將輸入的各形式能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動被控對象工作。

1.4 檢測環(huán)節(jié)

檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測量并轉(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與系統(tǒng)的反饋信號進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入之間的偏差信號。這個環(huán)節(jié)通常由專門的電路或計算機(jī)來實現(xiàn)。

2 技術(shù)方面的要求

因其自身的技術(shù)特點，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)輸入信號要求的精確程度，以誤差的形式表現(xiàn)，可概括為動態(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)允許輸入信號的頻率區(qū)間。當(dāng)輸入正確的工作頻率信號時，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輸入時，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22—55KW之間為大容量型，功率在300W—15KW之間為中容量型，功率在30—750W之間為小容量型，功率在10—20W之間為超小容量型。

3.1.2 編碼器

現(xiàn)在以信號線數(shù)量是5根的新型的位置編碼器居多，分為絕對值型和增量型兩種，具有62.5μs的通信周期，12位的數(shù)據(jù)長度，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100萬個脈沖，有高達(dá)6000 r/min的轉(zhuǎn)速，且僅用16μA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。其工作原理非常簡單，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)動器。雖有較低成本、較快的相應(yīng)速度、連續(xù)性較好的特點，但傳統(tǒng)模擬控制會因為溫度升高發(fā)生漂移，調(diào)試系統(tǒng)不易掌握，柔性化設(shè)計實現(xiàn)難，無法完成復(fù)雜的計算，對現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下的控制算法無法實現(xiàn)等。

3.1.4 上位控制

從上面的CNC控制器、運(yùn)動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)動技術(shù)取代，且當(dāng)時工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)就包括交流伺服驅(qū)動技術(shù)。

由于電機(jī)本身有一定缺陷，所以直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展受到了影響。因直流伺服電機(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。因此，直流伺服驅(qū)動技術(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。這個就體現(xiàn)了交流伺服電機(jī)的比較優(yōu)勢。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endprint

最開始是火炮控制、船舶的自動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)動在機(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)動早在20世紀(jì)60年代以前，不是液壓的就是直接以驅(qū)動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60—70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)動技術(shù)得到迅猛發(fā)展，與此同時，交流伺服系統(tǒng)的性能也在不斷地提高，相應(yīng)的伺服傳動裝置也在不斷的發(fā)展，經(jīng)歷了模擬式、數(shù)模混合式和全數(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)自動化控制的主要使用技術(shù)。總體上來看，伺服系統(tǒng)可以往下面幾個方面發(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)了國際市場，發(fā)達(dá)國家的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)的市場外，所有的市場將被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。實現(xiàn)完全數(shù)字化，對實現(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（Intelligent Power Modules，簡稱IPM）伺服控制系統(tǒng)，其將能耗制動、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，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，也明顯減少了整個控制系統(tǒng)的空間，使整個設(shè)備的安裝和調(diào)試簡單化。

4.5 智能化方面

目前所有工業(yè)控制設(shè)備發(fā)展的大趨勢就是智能化，而伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為一種高級的工業(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)計形式。而所謂的智能則主要體現(xiàn)在下面幾個功能上：首先，參數(shù)記憶的功能可以實現(xiàn)，通過人機(jī)對話，完成系統(tǒng)中所有參數(shù)的相關(guān)設(shè)計，利用軟件設(shè)置的方法進(jìn)行相應(yīng)的修改，存儲數(shù)據(jù)時通過保存伺服單元來實現(xiàn)。利用通信接口和上位計算機(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)果實時反映到用戶的界面，便于工作人員對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和及時維護(hù)。最后，某些伺服系統(tǒng)還設(shè)計了參數(shù)自整定的程序。與此同時，為了使得系統(tǒng)性能穩(wěn)定，必須要對系統(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，對系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行自動整定，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)軸抖動而產(chǎn)生的誤碼脈沖的算法，將此算法應(yīng)用于實際的交流伺服控制系統(tǒng)中，結(jié)果顯示在編碼器分辨率不變的前提下，系統(tǒng)的檢測精度得到極大提高。

4.7 模塊化和網(wǎng)絡(luò)化

在國外，工廠自動化（Factory Automation，F(xiàn)A）工程技術(shù)在飛速發(fā)展，并且顯示發(fā)展勢頭非常旺盛。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，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，想要把幾臺甚至是數(shù)十臺的伺服單元與上位計算機(jī)連接組合成一個大的數(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

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、高速度、高性能的方向發(fā)展，以便更好地為工業(yè)自動化高效產(chǎn)能服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李成桐，張敬賓，丁原彥.新一代伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望[J].國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，1999（4）：3-10.

[2] 黃立培，張學(xué).變頻器應(yīng)用技術(shù)及電動機(jī)調(diào)速[M].北京：北京人民郵電出版社，1998.

[3] 駱再飛，蔣靜坪，許振偉.交流伺服系統(tǒng)及其先進(jìn)控制策略綜述[J].機(jī)床與液壓，2002（6）：7-10.

[4] 葛寶明，王祥珩，蘇鵬聲，等.開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略綜述[J].電氣傳動，2001，31（2）：8-13.endprint