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浅谈交流伺服及其应用

作者：天津罗升企业有限公司

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交流伺服驱动器和变频器可以说是一对兄弟，都是交流电机的驱动器，按照面世的先后顺序，变频器应该称为哥哥，交流伺服则该称为弟弟。变频器驱动变频电机，也驱动普通交流电机，主要的功能是调节电机的转速。交流伺服驱动器驱动交流伺服电机，其主要特点就是精确快速定位跟踪，进行精确的位置控制。

伺服驱动器的诞生背景

伺服来自英文单词Servo，用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统称为伺服系统，又称随动系统。伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。

在20世纪60年代，伺服控制技术开始应用在直流调速中，通过若干分立半导体元器件及其电路板来进行力矩、速度等的闭环控制，通过调整若干个可调电阻、电容、电感元件来实现参数的匹配，调节比较复杂，动态响应也不理想。到了20世纪80年代，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，同时借鉴并应用了变频的技术，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。随后各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品。

交流伺服驱动器的基本工作原理：

交流伺服借鉴并应用了变频的技术，在直流电机的伺服控制的基础上通过变频PWM方式模仿直流电机的控制方式来实现的，也就是说交流伺服电机必然有变频的这一环节。与变频器一样，也是将工频交流电先整流成直流电，然后通过可控制门极的各类晶体管（IGBT，IGCT等）通过载波频率和PWM调节逆变为频率可调的交流电，波形类似于正余弦的脉动电。

伺服驱动器发展了变频技术，在驱动器内部的电流环，速度环和位置环（变频器没有该环）都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算，主要的一点可以进行精确的位置控制。

现在的交流伺服的控制部分采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，来完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等闭环控制。

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交流伺服工作原理

交流伺服的应用领域

凡是对位置，速度和力矩的控制精度要求比较高的场合，都可以采用交流伺服驱动。如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、电子、制药、金融机具、自动化生产线等。因为伺服多用在定位、速度控制场合，所以伺服又称为运动控制

1、冶金、钢铁—连铸拉坯生产线、铜杆上引连铸机、喷印标记设备、冷连轧机，定长剪切、自动送料、转炉倾动等
2、电力、电缆—水轮机调速器、风力发电机变桨系统、拉丝机、对绞机、高速编织机、卷线机、喷印标记设备等
3、石油、化工—挤压机、胶片传动带、大型空气压缩机、抽油机等
4、化纤和纺织--纺纱机、精纺机、织机、梳棉机、横边机等
5、汽车制造业—发动机零部件生产线、发动机组装生产线，整车装配线、车身焊接线、检测设备等
6、机床制造业—车床、龙门刨、铣床、磨床、机械加工中心、制齿机等
7、铸件制造业—机械手、转炉倾动、模具加工中心等
8、橡塑制造业--塑料压延机、塑料薄膜袋封切机、注塑机、挤出机、成型机、涂塑复合机、拉丝机等
9、电子制造业—印刷电路板（PCB）设备、半导体器件设备(光刻机、晶圆加工机等)、液晶显示器（LCD）设备、整机联装及表面贴装（SMT）设备、激光设备（切割机、雕刻机等）、通用数控设备、机械手等
10、造纸业—纸张传送设备、特种纸造纸机械等
11、食品制造业—原料加工设备、灌装机械、封口机、其他食品包装及印刷设备等
12、制药业—原料加工机械、制剂机械、饮片机械、印刷及包装机械等
13、交通—地铁屏蔽门、电力机车、船舶导航等
14、物流、装卸、搬运—自动仓库、搬运车、立体车库、传动带、机器人、起重设备和搬运设备等
15、建筑—电梯、传送带、自动旋转门、自动开窗等
16、医疗—CT、X光机、核磁共振MRI等
17、试验设备—汽车试验设备、扭矩试验设备等

伺服系统的发展趋势

数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求越来越高。总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面：

1.集成化

目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以外接外部传感器如位置、速度、力矩传感器等，构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化显著地缩小了整个控制系统的体积。

2. 智能化

目前伺服内部控制核心大都采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP），从而实现完全数字化的伺服系统。伺服系统数字化是其实现智能化的前提条件。伺服系统的智能化表现在以下几个方面:系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置；其次它们都具有故障自诊断与分析功能；以及参数自整定的功能等。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。

3. 网络化

伺服系统网络化是综合自动化技术发展的必然趋势，是控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物，现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。现场总线现已被广泛应用在伺服系统之间、伺服系统和其它外围设备如人机界面HMI、可编程控制器PLC等信息交互传输。现场总线有如下几个类型FF；ProfiBus、WorldFIP、ControlNet/DeviveNet、CAN等。这些通讯协议都为多轴实时同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驱动器集成进去，从而使伺服系统达到了分布、开放、互联以及高可靠性。

3. 简易化

这里所说的“简”不是简单而是精简，是根据用户情况，将用户使用的伺服功能给与强化，使之专而精，而将不使用的一些功能给与精简，从而降低了伺服系统成本，为客户创造更多的收益，且通过精简一些元器件，减少了资源的浪费从而利于环保。这里所说的“易”是指，伺服系统的软件编程及操作是从用户角度出发开发设计，力求简单易行，使用户调试简单。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/29/2010)


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