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智能伺服技术及其应用

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伺服系统在机电设备中具有重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。随着技术的进步和整个工业的不断发展，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已进入全数字化和交流化的时代。

1 伺服系统的发展过程

1.1 直流伺服技术

伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。

1.2 交流伺服技术

从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术—交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。

交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类:永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。

系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块IPM。为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点。

1.3 交直流伺服技术的比较

直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。

交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以交流伺服系统在工厂自动化（FA）等各个领域得到了广泛的应用。

从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。

2 伺服系统相关技术的发展

伺服驱动技术的发展与磁性材料技术、半导体技术、通信技术、组装技术、生产工艺水平等基础工业技术的发展密切相关。

磁性材料中，特别是永久磁性材料性能的提高是伺服电机高性能化、小型化所不可缺少的重要条件。以日本安川公司伺服电机产品的磁性材料为例，其磁性材料的磁能积由原来的10MGOe提高到30MGOe，从70年代到90年代的这段时间提高了3倍。

半导体技术的发展使伺服驱动技术进入了全数字化时期，伺服控制器的小型化指标取得了很大的进步。LSI（大规模集成电路）的精细加工技术以及开关特性的改善使高速开关器件的应用成为主流。IGBT（绝缘栅双极型场效应管）已经发展到了第四代产品，其性能则提高了5倍以上。微处理器（CPU）性能的大幅度增强也使伺服控制器的复杂运算速度和多功能处理能力得以提高，同时也为产品的小型化创造了条件。

交流伺服控制器硬件环境的改善以及交流伺服电机的结构和制造材料的改进为更加快速、准确、稳定地控制机械设备创造了很好的条件。

在全数字控制方式下，伺服控制器实现了伺服控制的软件化。现在很多新型的伺服控制器都采用了多种新算法。目前比较常用的算法主要有PID/IPD（比例微分积分/）控制切换、前馈控制、速度实时监控、共振抑制控制、可变增益控制、振动抑制控制、模型规范适应控制、反复控制、预测控制、模型跟踪控制、在线自动修正控制、模糊控制、神经网络控制、H∞控制等。通过采用这些功能算法，可以使伺服控制器的响应速度、稳定性、准确性和可操作性都达到了很高的水平。

3 伺服系统的应用

随着市场竞争的日趋激烈，用户对所需产品提出了更高的技术要求和更合理的性能价格比。伺服系统以其出色的性能满足了各种产品制造厂家近乎苛刻的要求，从而能够对产品的加工过程、加工工艺和综合性能进行改造。在机电一体化设备上伺服系统的使用更加广泛，几乎工业生产的所有领域都成为伺服系统的应用对象。表1列出了伺服系统的主要应用领域。

表1 伺服系统的主要应用领域

4.伺服驱动产品概况

由于伺服驱动产品在工业生产中的应用十分广泛，市场上的相关产品种类很多，从普通电机、变频电机、伺服电机、变频器、伺服控制器到运动控制器、单轴控制器、多轴控制器、可编程控制器、上位控制单元乃至车间级和厂级监控工作站等一应俱全。对于用户而言可以很方便地根据实际需要灵活选用。下面以安川公司的伺服产品为例做一介绍。

4.1 伺服电机

随着永磁材料制造工艺的不断完善，新一代的伺服电机大都采用了最新的Nd2Fe14B1（铷铁硼）材料，该材料的剩余磁密、矫顽力、最大磁能积均好于其他永磁材料，再加上合理的磁极、磁路及电机结构设计，大大地提高了电机的性能，同时又缩小了电机的外形尺寸。新一代的伺服电机大都采用了新型的位置编码器，这种位置编码器的信号线数量从9根减少到5根，并支持增量型和绝对值型两种类型，通信速率达4M/s，通信周期为62.5μs，数据长度为12位，编码器分辨率为20bit/rev，即每转生成100万个脉冲，最高转速达6000r/min，编码器电源电流仅为16μA。

伺服电机按照容量可以分为超小型（MINI型）、小容量型、中容量型和大容量型。超小容量型的功率范围为10W到20W，小容量型的功率范围为30W到750W，中容量型的功率范围为300W到15KW，大容量型的功率范围为22KW到55KW。伺服电机的供电电压范围从100V到400V（单相/三相）。

4.2 伺服控制单元

传统的模拟控制虽然具有连续性好、响应速度快及成本低的优点，但也有难以克服的缺点，如系统调试困难，容易受到环境温度变化的影响而产生漂移，难以实现柔性化设计，缺乏实现复杂计算的能力，无法实现现代控制理论指导下的控制算法等。所以现代伺服控制器均采用全数字化结构，伺服控制系统的主要理论也采用了现代的矢量控制思想，它实现了电流向量的幅值控制和相位控制。

为了提高产品的性能，新一代的伺服控制器采用了多种新技术、新工艺。如安川公司的伺服控制器就采用了许多新的技术手段来提高其产品的性能，其中主要有以下几个方面。

（1）在电流环路中采用了d—q轴变换电流单元，在新的控制方式中，主CPU的运算量得以减少，通过硬件来进行电流环控制，即将控制算法固化在LSI专用硬件环路中。通过采用高速的d—q轴变换电流单元，使电流环的转矩控制精度有了进一步的提高。使用d—q轴变换电流控制，实现了在稳态运行及瞬态运行时均能保持良好的性能。

（2）采用了脉冲编码器倍增功能，新的控制算法使位置控制的整定时间缩短为原来的三分之一。

（3）速度控制环采用速度实时检测控制算法，使电机的低速性能得到进一步提高，速度波动和转矩波动降到最低。采用在线自动设定功能，使伺服系统的调试时间缩短，操作更加简单。

（4）为了使用户更加灵活地使用伺服系统，一些产品上增加了可扩展性以及柔性化、开放性设计。用户可以通过修改内部参数，选择控制算法，或者使用高级语言进行编程，更加灵活的使用伺服产品。

（5）采用主回路与控制回路进行电气隔离的结构，使操作及故障检测更加方便安全。供电电源电压从100V扩展到400V（单相/三相）。

（6）伺服控制一般均采用从电机轴端的位置编码器采集位置信号进行反馈，在受控执行机械部分没有反馈采样信号，即半闭环的控制方式。目前的新产品则采用全闭环的控制方式，使机械加工误差、齿轮间隙、结构受力弹性变形等误差所造成的影响在伺服控制器中通过计算完成修正。

（7）采用RICS（精简指令计算机系统）技术，使CPU的数据处理能力由8位、16位提高到32位，微处理器的主频提高到百兆以上，专用控制器门阵列数量超过了10万门。

4.3 上位控制

随着工业机械化设备对高速化、高精度化和小型化以及多品种小批量化、高可靠性、免维护性能要求的提高，安川公司为用户提供了丰富的上位机控制群可供选择。从上层的可编程控制器（PLC）、运动控制器、机床CNC控制器，可一直连到底层的通用输入/输出（I/O）控制单元和视觉传感系统。编程语言有梯形图、NC语言、SFC语言、运动控制语言等，均可按照用户的要求灵活配置。系统可控制轴数从单轴到可支持多达44轴，控制器可以连接从模拟信号到网络信号的各种信号类型。

通用机械中使用的运动控制器包括单轴控制器、双轴控制器、运动控制器和多轴高性能运动控制器等。高性能的超高速运动控制器的程序扫描速度约为0.4—1ms/1000步，最高可支持44个轴完全同步驱动控制，适用于高速度、高精度的机械设备，如印刷机械、包装机械、半导体制造机械等等。除了高端产品外，低端产品的单轴控制器结构小巧紧凑，支持网络化，可控制1轴伺服+主轴控制器，能完成FTP控制和跟踪控制，支持NC语言，可广泛应用于半导体制造设备、加工机械、搬运机械、卷扬机械等，具有很高的性能价格比。

5 伺服系统的发展趋势

从前面的讨论可以看出，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）交流化
伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达国家，AC伺服电机的　　市场占有率已经超过80%。在国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多，正在逐步地超过生产DC伺服电机的厂家。可以预见，在不远的将来，除了在某些微型电机领域之外，AC伺服电机将完全取代DC伺服电机。

（2）全数字化
采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法（如:最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）成为可能。

（3）采用新型电力电子半导体器件
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，主要有大功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘门极晶体管（IGPT）等。这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块（Intelligent Power Modules，简称IPM）。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。其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。

（4）高度集成化
新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。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，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。

（5）智能化
智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面:首先他们都具有参数记忆功能，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，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用起来十分方便;其次它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性;除以上特点之外，有的伺服系统还具有参数自整定的功能。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。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。

（6）模块化和网络化
在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（Factory Automation 简称FA）工程技术在最近十年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口（如RS-232Ｃ或RS-422接口等）和专用的局域网接口。这些接口的设置，显著地增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能力，从而与CNC系统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。也可以通过串行接口，与可编程控制器（PLC）的数控模块相连。

综上所述，伺服系统将向两个方向发展。一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等。另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品—伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/30/2005)


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