伺服電機控制技術的應用與發展

李學剛

摘要：本文主要對伺服電機控制技術的應用與發展進行研究，以期能夠為促進機電技術的發展提供一些幫助。

關鍵詞：機電技術;伺服控制技術;應用;發展前景

1伺服控制系統

1.1開環伺服系統結構簡單、調試維護容易，內部沒有運動反饋的控制回路，工作穩定、成本低，沒有檢測的反饋裝置。當運動有錯誤時，電動機也會隨著裝置發出脈沖指令進行工作，并且還會修正錯誤，作出信息錯誤反饋。在開環伺服系統中，步進電動機是主要驅動部件，其步距角精度、機械的傳動精度能夠影響開環系統的精度。一般情況下，一些對精度和速度要求不高的設備中，開環伺服系統都會用到步進電動機。

1.2半閉環伺服系統安裝調試比較方便，主要由無刷旋轉變壓器、測量速度的發電機構成。其中，無刷轉變壓器最主要的器件還是裝載內部的脈沖編碼器，不會受一些非線性因素的影響，系統能夠實現機械傳動的控制。并且電機軸或者絲桿上裝載整個系統中所有的反饋信號，一般都是用來位置或者速度的檢測器件，能夠給系統進行機械傳動的機制。在數控機床中，半閉環伺服系統的應用非常廣泛，在機械轉動裝置精度不高的情況下，機械轉動裝置的精度可以作為整個半閉環伺服系統的定位精度，為了達到要求的高度，數控裝置內部的誤差補償功能和間隙補償功提升加工的精度。

1.3全閉環伺服系統是由各種裝置組成，即：比較環節、伺服驅動放大器、機械傳動裝置、進給伺服電動機以及直線位移測量裝置等。其中，全閉環伺服系統的驅動部件能夠監測、反饋修正機床運動部件的移動量，即：直流伺服電動機或者交流伺服電動機。在測量機床部件時，能夠構成一個較高精度的全閉環控制位置系統，可以直接利用安裝在工作臺的光棚或者感應同步器。在整個全閉環系統中，可以在移動的部件上，安裝直線位移檢測器，也就是說，這個位移檢測器的精度和靈敏度就是移動部件測量精度、靈敏度，同樣加工精度也相對地得到了提升。但機械傳動裝置之間的一些非線性因素，會影響整體的穩定性，如：摩擦阻尼、裝置剛度以及反向間隙等。并且在整個全閉環伺服電機系統中，安裝和調試全閉環伺服系統過程非常復雜。

2伺服電機控制技術的應用

2.1在控制精準度的應用

全數字交流伺服是以2000線編碼器為標準，控制交流伺服則更能體現控制精準度，將旋轉編碼器安裝在交流伺服電機電機軸后方。驅動器的安裝使用四倍頻技術，脈沖量為0.045?。在數字化伺服電機系統中，如果使用17編碼器其脈沖量可以換算為1.8的步距角，為0.0027466?，電動機旋轉1圈接收一次131072個脈沖。兩相混合式和五相混合式是步進電機的兩種形式，兩相混合式步進電機的脈沖量數據較小，脈沖量為1/655.相比之下。其中，兩相混合式性能較高，步距角則主要以1.8?、0.9?為主經過細分之后，性能較高的二相混合式步進電機步距角更小，可以有效實現五相混合式、普通二相混合式步距角的兼容，五相混合式步距角是以0.72?、0.36?為主;諸如0.072?、0.18?、0.9?等二相混合式在設置步距角時，可以利用撥碼開關的方式。

2.2在低頻特性的應用

受工作原理出現低頻振動狀態對步進電機正常運轉很大。低頻振動與電機系統內的振動頻率和負載情況、驅動器性能有很大的關系，在低速運轉過程中，其主要存在于步進電機中。振動頻率是電機空載起跳頻率的1/2，控制低頻振動通常會使用阻尼技術來提升步進電機運轉狀態。如：在控制過程中，利用驅動器中細分技術或通過設置阻尼器等。但如果電機處于低速運轉狀態中，為了使其運轉更為穩定，通常使用交流伺服電機技術，這樣不會造成低頻振動問題。交流伺服電機系統攜帶著共振抑制功能，具備頻率解析功能，可以有效彌補機械剛性中存在的不足，能夠避免發生共振問題，有效監測出機械共振點。

2.3在過載能力的應用

交流伺服電機具備非常高的速度過載能力和轉矩過載能力，步進電機并沒有過載性能，而交流伺服電機能夠體現出較強的過載能力，如：SANYO步進電機。因此，在實踐過程中，一般會選擇大機型電機，才能克服啟動時產生的慣性力矩。但是在實際應用期間，很容易導致力矩浪費，不需要過高的電機轉矩。

2.4伺服電機控制方法首先，對于電機軸來說，轉矩控制主要具有調節對外輸出轉矩的作用，利用輸入外部模擬量或者在地址上直接賦值的方式，如：10V與5N·m相對應時，電機軸輸出為2.5N·m，外部模擬量設置為5V。當電機軸負載大于2.5N·m時，電機反轉;當電機軸負載小于2.6N·m時，電機不會運轉。并且通過通信方式或對模擬量進行調整的方式，可以改變設定矩的大小，改變相應的地址數值。但諸如光纖設備等應用對象為材質受力要求則比較嚴苛的纏繞和放卷。其次，位置控制的轉動速度、角度，是以外部輸入脈沖頻率、個數來明確的。由于位置模式對于速度、位置的控制十分嚴苛，在速度和位移上，個別伺服可以直接采用通信的方式實現賦值。因此在定位裝置中應用較多。為了控制轉動的速度，氣門利用了模擬量輸入、脈沖頻率等技術。上位控制裝置外環PID能夠準確定位速度，但這一操作的計算依據需要將電機位置信號直接反饋給上位。檢測裝置負責提供位置信號，電機轉速的檢測可以由電機軸端編碼器負責，位置模式可以直接對外環檢測位置信號進行負載。如此一來，可以提升系統的定位精準度，消除中間傳動操作中存在的誤差。另外，伺服電機內有閉環負反饋PID調節系統，PID環即電流環位于最內側，利用霍爾裝置檢測驅動器負責電機各相的電流輸出，運行環境為伺服驅動器內。為了使輸出電流和設定電流盡量相等，負反饋對電流設定展開PID調節。也就是說，由于電流環控制著電機轉矩，因此，轉矩模式動態響應最為迅速，在三者中驅動器運算最小。第2環利用電機編碼器信號監測實現負反饋PID的調節，為速度環。并且在速度環控制過程中，由于環內PID輸出直接設置電流環，因此，包括速度環和電流環。第3環為位置環，需要結合狀況進行確定，構建于外部控制器、電機編碼器或驅動器、電機編碼器之間，位于最外側。位置控制模式系統內需要對這3個環進行運算，這是由于位置控制環內部輸出直接設置速度環所造成的，這時，動態響應速度非常迅速，形成的運算量最大。3伺服電機控制技術的發展前景

電機控制專用繼承電路是企業設計伺服電機最普遍的形式，設計軟件主要為復雜可編程邏輯器件和現場可編程邏輯陣列。并且在設計電機控制集成電路時，需要依據用戶、電子系統要求。該電路能夠實現操作邊界的有效掃描，特點在于用戶現場可操控編程。電機控制專用集成電路具有設計、生產時間短等特征，主要體現在制定用戶要求、數量少等方面。與通用電路相比，集成電路電子技術和用戶積淀系統生產出來的產品，重量輕、成本低、體積小、功耗低，但質量高。并且在電機控制MCU設計、電機控制DSP設計等方面，伺服電機控制技術也有所體現。交流伺服電動機屬于無刷結構，提升功率與轉速快、維修幾率小。20世紀80年代中，伺服電機控制技術已經融合催化加工技術，并且在今后的發展中也會獲得很大的發展。如：在數控系統中，伺服電機驅動已經逐漸應用起來。如今，交流伺服系統主要替換了直流伺服系統，實現了在諸多領域的應用。今后伺服電機控制技術的發展方向，就是在數控操作系統中全面實現直流伺服系統取締工作，硬件設備控制能夠替代軟件中應用的控制。

參考文獻：

[1]王高理.伺服電機控制技術的應用與發展[J].輕工科技，2019，35（02）：64-65.

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