伺服系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用常識

隨著信息、通訊與自動化技術(shù)的發(fā)展，種類繁多的自動控制裝置逐漸進(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)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(lǐng)域，特別是自動車床、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印?/p>

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。

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

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：

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)用最為廣泛的時代。

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)動技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(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)動電動機(jī)的類型來分，主要有兩大類：永磁同步（SM型）電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步（IM型）電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)。其中，永磁同步電動機(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)式異步電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)由于感應(yīng)式異步電動機(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機(jī)起制動電流快速可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。

直流伺服驅(qū)動技術(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)在工廠自動化（FA）等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

從伺服驅(qū)動產(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。

從前面的討論可以看出，數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣，用戶對伺服驅(qū)動技術(shù)的要求越來越高。總的來說，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(shù)將繼續(xù)迅速地由DC伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(chǎn)品都是AC伺服系統(tǒng)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，AC伺服電機(jī)的　　市場占有率已經(jīng)超過80%。在國內(nèi)生產(chǎn)AC伺服電機(jī)的廠家也越來越多，正在逐步地超過生產(chǎn)DC伺服電機(jī)的廠家?？梢灶A(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，除了在某些微型電機(jī)領(lǐng)域之外，AC伺服電機(jī)將完全取代DC伺服電機(jī)。

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(jī)（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(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實(shí)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(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法（如：最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等）成為可能。

3. 采用新型電力電子半導(dǎo)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(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，主要有大功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)管（MOSFET）和絕緣門極晶體管（IGBT）等。這些先進(jìn)器件的應(yīng)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(yīng)速度，降低了運(yùn)行噪聲。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關(guān)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(hù)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(yīng)用顯著地簡化了伺服單元的設(shè)計(jì)，并實(shí)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(chǎn)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(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，就可以改變其性能，既可以使用電機(jī)本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)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(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)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(diào)試工作都得到了簡化。

5. 智能化

智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為一種高級的工業(yè)控制裝置當(dāng)然也不例外。最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設(shè)計(jì)為智能型產(chǎn)品，它們的智能化特點(diǎn)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(yùn)行參數(shù)都可以通過人機(jī)對話的方式由軟件來設(shè)置，保存在伺服單元內(nèi)部，通過通信接口，這些參數(shù)甚至可以在運(yùn)行途中由上位計(jì)算機(jī)加以修改，應(yīng)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(diào)試的復(fù)雜性;除以上特點(diǎn)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(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，也是需要耗費(fèi)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(yùn)行，自動將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來，并自動實(shí)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(diǎn)之一。

6. 模塊化和網(wǎng)絡(luò)化

在國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動化（Factory AutomaTIon 簡稱FA）工程技術(shù)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(yīng)這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口（如RS-232Ｃ或RS-422接口等）和專用的局域網(wǎng)接口。這些接口的設(shè)置，顯著地增強(qiáng)了伺服單元與其它控制設(shè)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(jì)算機(jī)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(yīng)用要求，對性能指標(biāo)要求不高的應(yīng)用場合，追求低成本、少維護(hù)、使用簡單等特點(diǎn)的驅(qū)動產(chǎn)品，如變頻電機(jī)、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(dǎo)產(chǎn)品—伺服電機(jī)、伺服控制器，追求高性能、高速度、數(shù)字化、智能型、網(wǎng)絡(luò)化的驅(qū)動控制，以滿足用戶較高的應(yīng)用要求。