伺服系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的應(yīng)用

劉昕

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，工業(yè)技術(shù)也相應(yīng)得到了創(chuàng)新與發(fā)展，在這樣的背景下，對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的需求也越發(fā)旺盛。在自動(dòng)化系統(tǒng)中，伺服技術(shù)的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，這從某種程度上表明展開(kāi)伺服技術(shù)的研究具有極其重要的意義。

關(guān)鍵詞：伺服控制技術(shù);自動(dòng)化系統(tǒng);應(yīng)用

伺服控制系統(tǒng)綜合了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)等各個(gè)領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。以CNC數(shù)控系統(tǒng)為代表的伺服系統(tǒng)主要在精密加工等數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，而PLC作為控制的伺服系統(tǒng)兼具了高精度和經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，在一般精度要求的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)和改造領(lǐng)域具有很好好的應(yīng)用前景。

1.伺服系統(tǒng)的組成及原理

伺服系統(tǒng)主要有伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、指令機(jī)構(gòu)三大部分構(gòu)成，伺服電機(jī)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，就是靠它來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的，伺服驅(qū)動(dòng)器是伺服電機(jī)的功率電源，指令機(jī)構(gòu)是發(fā)脈沖或者給速度伺服驅(qū)動(dòng)器的。上位機(jī)是給伺服指令，如PLC、工控機(jī)等，伺服驅(qū)動(dòng)器是接收上位機(jī)的指令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度，伺服電機(jī)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其自帶的編碼器把電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度和速度反饋給伺服放大器，構(gòu)成閉環(huán)，確保精度。

2.伺服系統(tǒng)分類(lèi)

伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動(dòng)元件劃分有步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)直流電機(jī)）伺服系統(tǒng)、交流電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)交流電機(jī)）伺服系統(tǒng);按控制方式劃分有開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)等。實(shí)際上數(shù)控系統(tǒng)也分成開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)3種類(lèi)型，就是與伺服系統(tǒng)這3種方式相關(guān)。

2.1開(kāi)環(huán)系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成主要由驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行元件和被控對(duì)象三大部分組成。由驅(qū)動(dòng)部分直接給出命令，執(zhí)行元件控制被控對(duì)象達(dá)到預(yù)先目的，被控對(duì)象并不把實(shí)際情況反饋給驅(qū)動(dòng)部分，這種控制系統(tǒng)叫開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。

2.2閉環(huán)系統(tǒng)

閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、檢測(cè)單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路和被控對(duì)5個(gè)部分組成。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測(cè)元件將被控對(duì)象移動(dòng)部件的實(shí)際位置檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋給比較環(huán)節(jié)。通常把安裝在電機(jī)軸端的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱(chēng)為半閉環(huán)系統(tǒng);把安裝在被控對(duì)象上的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱(chēng)為閉環(huán)系統(tǒng)。由于電機(jī)軸端和被控對(duì)象之間傳動(dòng)誤差的存在，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些。

2.2.1比較環(huán)節(jié)。比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路，控制執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，直到跟隨誤差為零。

2.2.2驅(qū)動(dòng)電路。由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號(hào)比較微弱，不能夠驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，所以要對(duì)其進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)電路正是解決此問(wèn)題。

2.2.3執(zhí)行元件。執(zhí)行元件的作用是根據(jù)控制信號(hào)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作，常用的執(zhí)行元件是伺服電機(jī)等。

2.2.4被控對(duì)象。被控對(duì)象包括位移、速度、加速度、力、和力矩為被控對(duì)象。

2.2.5檢測(cè)單元。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)所需要的裝置，一般包括是傳感器和轉(zhuǎn)換電路。

2.3直流伺服驅(qū)動(dòng)與交流伺服驅(qū)動(dòng)

交流伺服系統(tǒng)使用交流異步伺服電機(jī)和永磁同步伺服電機(jī)，而直流伺服電機(jī)存在著固有的圈點(diǎn)，使其收到應(yīng)用環(huán)境的限制。交流伺服電機(jī)則沒(méi)有這些缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。另外在同體積條件下，交流伺服電機(jī)的輸出功率可比直流伺服電機(jī)輸出功率要大的多，同時(shí)交流伺服電機(jī)的容量還比直流伺服電機(jī)大的多，可以達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速和電壓。

3.伺服系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1在機(jī)械人中的應(yīng)用

在自動(dòng)化不斷發(fā)展的今天，機(jī)器人已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，如果超薄玻璃上使用的在線運(yùn)動(dòng)抓片機(jī)械手，汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的自動(dòng)焊接機(jī)，電子廠內(nèi)抓取手等。機(jī)器人控制過(guò)程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是伺服控制系統(tǒng)，它可以通過(guò)PLC、觸摸屏等設(shè)備控制各個(gè)伺服電機(jī)產(chǎn)生不同的扭矩和不同的方向，可直接或者間接地控制終端設(shè)備，以達(dá)到想要的效果和功能。同時(shí)也是因?yàn)樗欧妱?dòng)機(jī)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時(shí)過(guò)載能力，所以，伺服系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用也是得到了廣泛發(fā)展。

3.2在數(shù)控自動(dòng)化機(jī)床中的應(yīng)用

伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的作用，往往集中于接收來(lái)自控制中心的指令信號(hào)，并且驅(qū)動(dòng)機(jī)床各個(gè)部件的移動(dòng)，都能在科學(xué)指令的引導(dǎo)下展開(kāi)運(yùn)動(dòng)，以此使得數(shù)控自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量水平得到極大強(qiáng)化。要想使數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化系統(tǒng)的這一目標(biāo)得到實(shí)現(xiàn)，就需要提高伺服控制技術(shù)的操作速度和精度，這從側(cè)面表明應(yīng)當(dāng)運(yùn)用更高控制精度的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。高控制精度的伺服控制系統(tǒng)，在數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集以及收集環(huán)節(jié)上，能夠準(zhǔn)確地把控好有效數(shù)據(jù)的選取質(zhì)量，并使數(shù)控自動(dòng)化機(jī)床工作的各個(gè)流程都表現(xiàn)得更加合理，從而滿足生產(chǎn)建設(shè)的實(shí)際要求。只有提升伺服控制系統(tǒng)的精度，才能在數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用更高質(zhì)量的加工器件。因?yàn)樵诳茖W(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，人們對(duì)于加工精度的要求變得越來(lái)越高，所以注重伺服控制技術(shù)在數(shù)控自動(dòng)化機(jī)床中的應(yīng)用，能較大程度地提升工作開(kāi)展的質(zhì)量與效率。

3.3伺服控制技術(shù)在自動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

交流伺服電機(jī)的出現(xiàn)以及大規(guī)模應(yīng)用，極大提升了伺服系統(tǒng)技術(shù)的基本性能，包括應(yīng)用交流伺服系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。

（1）能提升自動(dòng)化控制系統(tǒng)精度。自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備同普通設(shè)備有著較大的差別，當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)相應(yīng)問(wèn)題，并不能第一時(shí)間對(duì)誤差等展開(kāi)科學(xué)調(diào)整與補(bǔ)償，因此自動(dòng)化控制設(shè)備的精度要求往往較高。當(dāng)伺服控制技術(shù)應(yīng)用到自動(dòng)化系統(tǒng)中后，能有效避免誤差不能及時(shí)調(diào)整、補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，并且還能使各個(gè)環(huán)節(jié)的精度達(dá)到微米級(jí)別，這樣也就提升了自動(dòng)化系統(tǒng)的精度。

（2）能做好大范圍的調(diào)速工作。自動(dòng)化控制系統(tǒng)的調(diào)速問(wèn)題往往也決定著最終工作運(yùn)行的質(zhì)量水平。以往的技術(shù)并不能很好地處理這一環(huán)節(jié)的工作，但伺服控制技術(shù)憑借其多方面的優(yōu)勢(shì)，能在根本上使自動(dòng)化系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的速率得到連續(xù)化調(diào)整，其調(diào)節(jié)范圍也比一般的技術(shù)調(diào)控范圍大。因此，當(dāng)伺服控制技術(shù)在自動(dòng)化系統(tǒng)中得到應(yīng)用后，勢(shì)必能極大提升自動(dòng)化系統(tǒng)的基本性能，為后續(xù)工作的

開(kāi)展打下良好的基礎(chǔ)。因此，將伺服控制技術(shù)應(yīng)用在自動(dòng)化系統(tǒng)中，能在各個(gè)環(huán)節(jié)中優(yōu)化自動(dòng)化系統(tǒng)的性能，從而使得各種類(lèi)型的自動(dòng)化系統(tǒng)都能獲得較高水平的應(yīng)用效果，滿足社會(huì)生產(chǎn)生活的實(shí)際要求。

結(jié)語(yǔ)：

伺服控制技術(shù)是一項(xiàng)極具系統(tǒng)性的技術(shù)，將其應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，能從根本上提升自動(dòng)化系統(tǒng)的性能，所以需要人們引起高度重視。相信隨著有關(guān)人士的不斷分析與研究，國(guó)內(nèi)伺服控制技術(shù)應(yīng)用的質(zhì)量水平必將得到提升，同時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量也能得到極大優(yōu)化，進(jìn)而滿足生產(chǎn)建設(shè)的需要。

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（駐馬店技師學(xué)院）