伺服系統(tǒng)

　　基本概念

　　伺服系統(tǒng)是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統(tǒng)。又稱隨動系統(tǒng)。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械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角）。伺服系統(tǒng)的結構組成 伺服系統(tǒng)和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。

　　伺服系統(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域，特別是自動車床、天線位置控制、導彈和飛船的制導等。采用伺服系統(tǒng)主要是為了達到下面幾個目的：①以小功率指令信號去控制大功率負載?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦?。②在沒有機械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠處的輸出軸，實現遠距同步傳動。③使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。

　　發(fā)展歷史

　　伺服源自英文單詞“Servo”，顧名思義，就是指系統(tǒng)跟隨外部指令進行人們所期望的運動，而其中的運動要素包括位置、速度和力矩等物理量?；仡櫵欧到y(tǒng)的發(fā)展歷程，從最早的液壓、氣動到如今的電氣化，由伺服電機、反饋裝置與控制器組成的伺服系統(tǒng)已經走過了近50個年頭。

　　如今，隨著技術的不斷成熟，交流伺服電機技術憑借其優(yōu)異的性價比，逐漸取代直流電機成為伺服系統(tǒng)的主導執(zhí)行電機。交流伺服系統(tǒng)技術的成熟也使得市場呈現出快速的多元化發(fā)展，并成為工業(yè)自動化的支撐性技術之一。

　　伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：即高精度、高速度、大功率。他解釋說，伺服系統(tǒng)的發(fā)展要充分利用電子和計算機技術，采用數字式伺服系統(tǒng)，利用微機實現調節(jié)控制，增強軟件控制功能，排除模擬電路的非線性誤差和調整誤差以及溫度漂移等因素的影響，這可大大提高伺服系統(tǒng)的性能，并為實現最優(yōu)控制、自適應控制創(chuàng)造條件。同時，要開發(fā)高精度、快速檢測元件與高性能的伺服電機（執(zhí)行元件）。

　　突出性能

　　衡量伺服系統(tǒng)性能的主要指標有頻帶寬度和精度。頻帶寬度簡稱帶寬，由系統(tǒng)頻率響應特性來規(guī)定，反映伺服系統(tǒng)的跟蹤的快速性。帶寬越大，快速性越好。伺服系統(tǒng)的帶寬主要受控制對象和執(zhí)行機構的慣性的限制。慣性越大，帶寬越窄。一般伺服系統(tǒng)的帶寬小于15赫，大型設備伺服系統(tǒng)的帶寬則在1～2赫以下。自20世紀70年代以來，由于發(fā)展了力矩電機及高靈敏度測速機，使伺服系統(tǒng)實現了直接驅動，革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素，使帶寬達到50赫，并成功應用在遠程導彈、人造衛(wèi)星、精密指揮儀等場所。伺服系統(tǒng)的精度主要決定于所用的測量元件的精度。因此，在伺服系統(tǒng)中必須采用高精度的測量元件，如精密電位器、自整角機、旋轉變壓器、光電編碼器、光柵、磁柵和球柵等。此外，也可采取附加措施來提高系統(tǒng)的精度，例如將測量元件（如自整角機）的測量軸通過減速器與轉軸相連，使轉軸的轉角得到放大，來提高相對測量精度。采用這種方案的伺服系統(tǒng)稱為精測粗測系統(tǒng)或雙通道系統(tǒng)。通過減速器與轉軸嚙合的測角線路稱精讀數通道，直接取自轉軸的測角線路稱粗讀數通道。

　　伺服系統(tǒng)按所用驅動元件的類型可分為機電伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和氣動伺服系統(tǒng)?！　∽罨镜乃欧到y(tǒng)包括伺服執(zhí)行元件（電機、液壓缸等）、反饋元件和伺服驅動器，但是要讓這個系統(tǒng)運轉起來還需要一個上位機構，PLC，專門的運動控制卡，工控機+PCI卡，以便于給伺服驅動器發(fā)送指令。

　　疑問解答

　　什么是伺服電機？有幾種類型？工作特點是什么？

　　答：伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把伺服系統(tǒng)模塊設計圖所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類　　

        請問交流伺服電機和無刷直流伺服電機在功能上有什么區(qū)別？

　　答：交流伺服要好一些，因為是正弦波控制，轉矩脈動小。無刷直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜。

　　典型機型

　　20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發(fā)展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅動器系列產品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數字控制的正弦波電動機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發(fā)展日新月異。

　　優(yōu)勢劣勢

　　永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較：

　　主要優(yōu)勢：

　?、艧o電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。

　?、贫ㄗ永@組散熱比較方便。

　?、菓T量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。

　?、冗m應于高速大力矩工作狀態(tài)。

　　⑸同功率下有較小的體積和重量。

　　主要劣勢：

　?、庞来沤涣魉欧到y(tǒng)采用了編碼器檢測磁極位置，算法復雜；

　?、平涣魉欧到y(tǒng)維修比較麻煩，因為電路結構復雜；

　　⑶交流伺服驅動器可靠性不如直流伺服，因為板件太過于精密。

　　自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年漢諾威貿易博覽會上正式推出MAC永磁交流伺服電動機和驅動系統(tǒng)，這標志著此種新一代交流伺服技術已進入實用化階段。到20世紀80年代中后期，各公司都已有完整的系列產品。整個伺服裝置市場都轉向了交流系統(tǒng)。早期的模擬系統(tǒng)在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全滿足運動控制的要求，近年來隨著微處理器、新型數字信號處理器（DSP）的應用，出現了數字控制系統(tǒng)，控制部分可完全由軟件進行。

　　到目前為止，高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅動器多采用快速、準確定位的全數字位置伺服系統(tǒng)。典型生產廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。

        伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢

　　現代交流伺服系統(tǒng)，經歷了從模擬到數字化的轉變，數字控制環(huán)已經無處不在，比如換相、電流、速度和位置控制；采用新型功率半導體器件、高性能DSP 加FPGA、以及伺服專用模塊也不足為奇。國際廠商伺服產品每5 年就會換代，新的功率器件或模塊每2～2.5 年就會更新一次，新的軟件算法則日新月異，總之產品生命周期越來越短。總結國內外伺服廠家的技術路線和產品路線，結合市場需求的變化，可以看到以下一些最新發(fā)展趨勢：　　高效率化　　盡管這方面的工作早就在進行，但是仍需要繼續(xù)加強。主要包括電機本身的高效率比如永磁材料性能的改進和更好的磁鐵安裝結構設計，也包括驅動系統(tǒng)的高效率化，包括逆變器驅動電路的優(yōu)化，加減速運動的優(yōu)化，再生制動和能量反饋以及更好的冷卻方式等。

　　直接驅動

　　直接驅動包括采用盤式電機的轉臺伺服驅動和采用直線電機的線性伺服驅動，由于消除了中間傳遞誤差，從而實現了高速化和高定位精度。直線電機容易改變形狀的特點可以使采用線性直線機構的各種裝置實現小型化和輕量化。

　　高速、高精、高性能化

　　采用更高精度的編碼器（每轉百萬脈沖級），更高采樣精度和數據位數、速度更快的DSP，無齒槽效應的高性能旋轉電機、直線電機，以及應用自適應、人工智能等各種現代控制策略，不斷將伺服系統(tǒng)的指標提高。

　　一體化和集成化

　　電動機、反饋、控制、驅動、通訊的縱向一體化成為當前小功率伺服系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。有時我們稱這種集成了驅動和通訊的電機叫智能化電機（Smart Motor），有時我們把集成了運動控制和通訊的驅動器叫智能化伺服驅動器。電機、驅動和控制的集成使三者從設計、制造到運行、維護都更緊密地融為一體。但是這種方式面臨更大的技術挑戰(zhàn)（如可靠性）和工程師使用習慣的挑戰(zhàn)，因此很難成為主流，在整個伺服市場中是一個很小的有特色的部分?！　⊥ㄓ没?/p>

　　通用型驅動器配置有大量的參數和豐富的菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下，方便地設置成V/F 控制、無速度傳感器開環(huán)矢量控制、閉環(huán)磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動機控制及再生單元等五種工作方式，適用于各種場合，可以驅動不同類型的電機，比如異步電機、永磁同步電機、無刷直流電機、步進電機，也可以適應不同的傳感器類型甚至無位置傳感器?？梢允褂秒姍C本身配置的反饋構成半閉環(huán)控制系統(tǒng)，也可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成高精度全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　智能化

　　現代交流伺服驅動器都具備參數記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數進口驅動器都具備負載慣量測定和自動增益調整功能，有的可以自動辨識電機的參數，自動測定編碼器零位，有些則能自動進行振動抑止。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補運動等控制功能和驅動結合在一起，對于伺服用戶來說，則提供了更好的體驗。

　　網絡化和模塊化

　　將現場總線和工業(yè)以太網技術、甚至無線網絡技術集成到伺服驅動器當中，已經成為歐洲和美國廠商的常用做法。現代工業(yè)局域網發(fā)展的重要方向和各種總線標準競爭的焦點就是如何適應高性能運動控制對數據傳輸實時性、可靠性、同步性的要求。隨著國內對大規(guī)模分布式控制裝置的需求上升，高檔數控系統(tǒng)的開發(fā)成功，網絡化數字伺服的開發(fā)已經成為當務之急。模塊化不僅指伺服驅動模塊、電源模塊、再生制動模塊、通訊模塊之間的組合方式，而且指伺服驅動器內部軟件和硬件的模塊化和可重用。

　　從故障診斷到預測性維護

　　隨著機器安全標準的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的故障診斷和保護技術（問題發(fā)生的時候判斷原因并采取措施避免故障擴大化）已經落伍，最新的產品嵌入了預測性維護技術，使得人們可以通過Internet 及時了解重要技術參數的動態(tài)趨勢，并采取預防性措施。比如：關注電流的升高，負載變化時評估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度升高時監(jiān)視溫度傳感器，以及對電流波形發(fā)生的任何畸變保持警惕。　　專用化和多樣化　　雖然市場上存在通用化的伺服產品系列，但是為某種特定應用場合專門設計制造的伺服系統(tǒng)比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形狀、不同表面粘接結構（SPM）和嵌入式永磁（IPM）轉子結構的電機出現，分割式鐵芯結構工藝在日本的使用使永磁無刷伺服電機的生產實現了高效率、大批量和自動化，并引起國內廠家的研究。

　　小型化和大型化

　　無論是永磁無刷伺服電機還是步進電機都積極向更小的尺寸發(fā)展，比如20，28，35mm 外徑；同時也在發(fā)展更大功率和尺寸的機種，已經看到500KW 永磁伺服電機的出現。體現了向兩極化發(fā)展的傾向。

　　應用趨勢

　　自動控制系統(tǒng)不僅在理論上飛速發(fā)展，在其應用器件上也日新月異。模塊化、數字化、高精度、長壽命的器件每隔3～5年就有更新?lián)Q代的產品面市。傳統(tǒng)的交流伺服電機特性軟，并且其輸出特性不是單值的;步進電機一般為開環(huán)控制而無法準確定位，電動機本身還有速度諧振區(qū)，pwm調速系統(tǒng)對位置跟蹤性能較差，變頻調速較簡單但精度有時不夠，直流電機伺服系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能被廣泛的應用于位置隨動系統(tǒng)中，但其也有缺點，例如結構復雜，在超低速時死區(qū)矛盾突出，并且換向刷會帶來噪聲和維護保養(yǎng)問題。目前，新型的永磁交流伺服電機發(fā)展迅速，尤其是從方波控制發(fā)展到正弦波控制后，系統(tǒng)性能更好，它調速范圍寬，尤其是低速性能優(yōu)越。