伺服系統(tǒng)的應(yīng)用有哪些？實(shí)例介紹

伺服電機(jī)是控制精度高，響應(yīng)速度快的工業(yè)自動(dòng)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過這個(gè)設(shè)備，我們能夠在如下行業(yè)大展拳腳，包括：

1、機(jī)械加工行業(yè)，包括：數(shù)控沖床、折彎機(jī)、剪板機(jī)等等。

2、印刷加工業(yè)，包括：膠印機(jī)、激光照排系統(tǒng)、噴繪機(jī)、折頁機(jī)等等。

3、醫(yī)療檢測設(shè)備，包括：監(jiān)護(hù)儀、B超機(jī)、CT控制箱、X光機(jī)、切片機(jī)、血液透析機(jī)、溫控儀等等。

4、食品加工行業(yè)，包括：殺菌機(jī)、標(biāo)貼機(jī)、制罐機(jī)、流量控制儀、封口機(jī)、包裝機(jī)、咖啡機(jī)等等。

一、 伺服系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

伺服系統(tǒng)是指以位置、速度、轉(zhuǎn)矩為控制量，能夠動(dòng)態(tài)跟蹤目標(biāo)變化從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化精密制造和柔性制造的核心技術(shù)，屬于高端工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備。由于具備定位精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好等性能特點(diǎn)，在對位置精度要求較高的行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，目前已普遍應(yīng)用于機(jī)床工具、紡織機(jī)械、電子制造設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、印刷機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)線及各種專用設(shè)備等。

伺服系統(tǒng)可以分為通用伺服系統(tǒng)和專用伺服系統(tǒng)，其在市場規(guī)模、產(chǎn)品技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域等方面存在差異。在市場規(guī)模上，通用伺服市場規(guī)模較大，根據(jù)睿工業(yè)數(shù)據(jù)，2020 年我國通用伺服系統(tǒng)市場規(guī)模達(dá)到 164.38 億元，專用伺服系統(tǒng)市場規(guī)模達(dá)到 37.28 億元;在產(chǎn)品技術(shù)上，專用伺服需要基于不同行業(yè)的應(yīng)用需求提供專業(yè)化產(chǎn)品，通用伺服需要使其產(chǎn)品在不同行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)均保持高水平運(yùn)作，兩者在產(chǎn)品技術(shù)路線上各有側(cè)重;在應(yīng)用領(lǐng)域上，通用伺服下游應(yīng)用領(lǐng)域較廣，包括包裝、物流、3C 電子、鋰電池、機(jī)器人、木工、激光等，專用伺服下游應(yīng)用領(lǐng)域包括風(fēng)力發(fā)電、礦山機(jī)械、纜車索道、電梯等。

1) 全球伺服系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓、氣動(dòng)到電氣的過程，其中電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)類型分為直流和交流伺服系統(tǒng)。

20 世紀(jì) 50 年代，直流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化并開始應(yīng)用，但其存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn);20 世紀(jì) 70 年代后期到 80 年代初期，集成電路、交流可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展使得交流伺服系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品;20 世紀(jì) 80 年代以來，由于電機(jī)永磁材料制造工藝的發(fā)展以及其性價(jià)比的日益提高，永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了突出發(fā)展。

隨著交流伺服電機(jī)技術(shù)的成熟，交流伺服系統(tǒng)在國外得到快速發(fā)展，并涌現(xiàn)出松下、安川、三菱、西門子、博世力士樂、倫茨、施耐德等知名品牌，其中，日本品牌以良好的性價(jià)比和較高的可靠性占據(jù)了我國較大的市場份額，在中低端設(shè)備市場中具有優(yōu)勢， 而歐美品牌憑借較高的產(chǎn)品性能在高端設(shè)備中占據(jù)優(yōu)勢。根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu) HIS Markit 的估算，2018 年全球伺服控制市場規(guī)模達(dá) 157 億美元，由于全球人力成本普遍上升， 制造業(yè)向工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的趨勢明顯，工業(yè)機(jī)器人的普及將極大推動(dòng)市場對伺服系統(tǒng)的需求，預(yù)計(jì)全球伺服系統(tǒng)市場規(guī)模將于 2022 年突破 200 億美元。

2) 我國伺服系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

我國的伺服系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)起步較晚，2000 年以后隨著國內(nèi)中高端制造業(yè)不斷發(fā)展，各行各業(yè)在生產(chǎn)制造活動(dòng)中越來越多地需要使用伺服系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造高質(zhì)量和高精度的目的，這一需求促使國內(nèi)伺服系統(tǒng)市場呈現(xiàn)快速增長趨勢。根據(jù) MIR 睿工業(yè)的數(shù)據(jù)，2020 年我國通用伺服系統(tǒng)市場規(guī)模為 164.38 億元，預(yù)計(jì)在 2025 年達(dá)到 295.38 億元。

數(shù)據(jù)來源：MIR 睿工業(yè)

我國伺服系統(tǒng)市場主要分為日韓品牌、歐美品牌和國產(chǎn)品牌三大陣營，由于需要的技術(shù)水平較高，伺服系統(tǒng)市場一直為外資品牌主導(dǎo)。近年來，國內(nèi)廠商通過引進(jìn)、消化吸收國際先進(jìn)技術(shù)等舉措，不斷加強(qiáng)伺服系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)能力，國產(chǎn)伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平不斷提升，并逐漸在國內(nèi)市場中取得一定的份額，但與國際知名企業(yè)相比，其在整體性能、可靠性上仍存在一定差距。根據(jù) MIR 睿工業(yè)的數(shù)據(jù)，2020 年我國伺服市場中，日韓品牌占據(jù)約 51%的市場份額，國產(chǎn)品牌占據(jù)約 30%份額，歐美品牌占據(jù)約 19%份額;其中，安川、三菱和松下分別以 11.3%、10.5%、9.9%的市場份額位列前三。

隨著信息、通訊與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，種類繁多的自動(dòng)控制裝置逐漸進(jìn)進(jìn)了人們的日常生活。網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)不僅為人們提供了方便的通訊手段，實(shí)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(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與計(jì)算功能強(qiáng)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(shè)備(smart information appliance)，例如可以幫助清潔工作的機(jī)器人、可供娛樂的電子機(jī)械寵物等等。這些結(jié)合機(jī)械、電子、通訊、控制、信息技術(shù)融合裝置的核心部分就是具有網(wǎng)絡(luò)界面的伺服系統(tǒng)控制器(network servo controller)。伺服技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于我們的日常生活，例如光碟機(jī)光學(xué)讀取頭的伺服控制、遠(yuǎn)控飛機(jī)的機(jī)翼控制、數(shù)字相機(jī)的自動(dòng)對焦控制、具有影像追蹤功能的網(wǎng)絡(luò)攝像監(jiān)控系統(tǒng)、汽車自動(dòng)駕駛等等，伺服系統(tǒng)涉及范圍涵蓋廣泛，多學(xué)科交叉色彩濃厚。

伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用

伺服控制系統(tǒng)最初用于船舶的自動(dòng)駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領(lǐng)域，特別是自動(dòng)車床、天線位置控制、導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等。

采用伺服系統(tǒng)主要是為了達(dá)到下面幾個(gè)目的：

① 以小功率指令信號去控制大功率負(fù)載?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦?。

② 在沒有機(jī)械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠(yuǎn)處的輸出軸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動(dòng)。

③ 使輸出機(jī)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(yīng)用常識

伺服系統(tǒng)的發(fā)展

伺服系統(tǒng)在機(jī)電設(shè)備中具有重要的地位，下面簡單談?wù)勂浒l(fā)展歷程：

(1) 直流伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)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(jī)和直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，并在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和機(jī)械設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。70年代則是直流伺服電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛的時(shí)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(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機(jī)永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價(jià)格比的日益提高，交流伺服技術(shù)—交流伺服電機(jī)和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)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(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型來分，主要有兩大類：永磁同步(SM型)電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步(IM型)電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)。其中，永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能，并可實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動(dòng)的要求。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價(jià)格的降低，其在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越廣泛，目前已成為交流伺服系統(tǒng)的主流。感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)由于感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，制造容易，價(jià)格低廉，因而具有很好的發(fā)展前景，代表了將來伺服技術(shù)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(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)來說控制比較復(fù)雜，而且電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)還存在著效率低，發(fā)熱嚴(yán)重等有待克服的技術(shù)問題，目前并未得到普遍應(yīng)用。

系統(tǒng)的執(zhí)行元件一般為普通三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，功率變換器件通常采用智能功率模塊IPM。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的動(dòng)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(yīng)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(jī)控制，以使控制策略獲得更高的控制性能。電流調(diào)節(jié)器若為比例形式，三個(gè)交流電流環(huán)都用足夠大的比例調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，其比例系數(shù)應(yīng)該在保證系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩的前提下盡量選大些，使被控異步電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)電壓型逆變器的快速電流控制。電流用比例調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單、電流跟隨性能好以及限制電動(dòng)機(jī)起制動(dòng)電流快速可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。

(3)交直流伺服系統(tǒng)的比較

直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)受電機(jī)本身缺陷的影響，其發(fā)展受到了限制。直流伺服電機(jī)存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)，在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機(jī)械設(shè)備的精度，難以應(yīng)用到高速及大容量的場合，機(jī)械換向器則成為直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

交流伺服電機(jī)克服了直流伺服電機(jī)存在的電刷、換向器等機(jī)械部件所帶來的各種缺點(diǎn)，特別是交流伺服電機(jī)的過負(fù)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(dòng)化(FA)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

從伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品當(dāng)前的應(yīng)用來看，直流伺服產(chǎn)品正逐漸減少，交流伺服產(chǎn)品則日漸增加，市場占有率逐步擴(kuò)大。在實(shí)際應(yīng)用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服產(chǎn)品已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。機(jī)電一體化技術(shù)是隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷提出新要求而迅速發(fā)展的。在控制方法上主要是從手動(dòng)到自動(dòng);在控制功能上，是從簡單到復(fù)雜;在操作上，是由笨重到輕巧。隨著新的控制理論和新型電器及電子器件的出現(xiàn)，又為電氣控制技術(shù)的發(fā)展開拓了新途徑。

傳統(tǒng)機(jī)床電氣控制是繼電器接觸式控制系統(tǒng)，由繼電器、接觸器、按鈕、行程開關(guān)等組成，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的啟動(dòng)、停車、有極調(diào)速等控制。繼電器接觸式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、抗干擾強(qiáng)、價(jià)格低，因此廣泛應(yīng)用于各類機(jī)床和機(jī)械設(shè)備。目前，在我國繼電器接觸式控制仍然是機(jī)床和其他機(jī)械設(shè)備最基本的電氣控制形式之一。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于大量存在一些用開關(guān)量控制的簡單的程序控制過程，而實(shí)際生產(chǎn)工藝和流程又是經(jīng)常變化的，因而傳統(tǒng)的繼電器接觸式控制系統(tǒng)常不能滿足這種要求，因此曾出現(xiàn)了繼電器接觸控制和電子技術(shù)相結(jié)合的控制裝置，叫做順序控制器。它能根據(jù)生產(chǎn)需要改變控制程序，而又遠(yuǎn)比電子計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，它是通過組合邏輯元件插接或編程來實(shí)現(xiàn)繼電器接觸控制的。但它的裝置體積大，功能也受到一定限制。隨著大規(guī)模集成電路和微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，上述控制技術(shù)也發(fā)生了根本性的變化，在上世紀(jì)70年代出現(xiàn)了將計(jì)算機(jī)的存儲技術(shù)引入順序控制器，產(chǎn)生了新型工業(yè)控制器——可編程序控制器(PLC)，它兼?zhèn)淞擞?jì)算機(jī)控制和繼電器控制系統(tǒng)兩方面的優(yōu)點(diǎn)，故目前在世界各國已作為一種標(biāo)準(zhǔn)化通用裝置普遍應(yīng)用于工業(yè)控制。

為解決占機(jī)械總加工量80%左右的單件和小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化難題，50年代出現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床。它綜合應(yīng)用了電子、計(jì)算機(jī)、檢測、自動(dòng)控制和機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，它是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。數(shù)控機(jī)床經(jīng)過40年來的發(fā)展，品種日益增多，性能不斷完善，其中以輪廓控制的數(shù)控機(jī)床和帶有自動(dòng)換刀裝置和工作臺能自動(dòng)轉(zhuǎn)位的數(shù)控加工中心發(fā)展更為迅速。數(shù)控機(jī)床由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等部分組成，其中伺服系統(tǒng)的性能是決定數(shù)控機(jī)床加工精度和生產(chǎn)率的主要因素之一。

二. 伺服系統(tǒng)在數(shù)控加工中的作用及組成

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，把輸出量能以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，亦稱伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)元件(或稱執(zhí)行元件伺服電機(jī))組成，高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測裝置，反饋實(shí)際的輸出狀態(tài)。

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的指令信號，驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件跟隨指令脈沖運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速和準(zhǔn)確，這就要求高質(zhì)量的速度和位置伺服。以上指的主要是進(jìn)給伺服控制，另外還有對主運(yùn)動(dòng)的伺服控制，不過控制要求不如前者高。數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)往往主要取決于伺服系統(tǒng)。