伺服系統(tǒng)的發(fā)展及展望

吳舉秀　張愛英　田秀剛

摘要：本文主要介紹了伺服系統(tǒng)的三個(gè)發(fā)展階段，包括步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)階段、直流伺服電動機(jī)閉環(huán)伺服系統(tǒng)階段、無刷直流伺服電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)伺服系統(tǒng)階段，并分析了伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：交流化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、小型化。

關(guān)鍵詞：伺服；智能化；小型化

伺服系統(tǒng)也叫位置隨動系統(tǒng)，它的根本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)械對位置指令（給定量）的準(zhǔn)確跟蹤，當(dāng)給定量隨機(jī)變化時(shí)，系統(tǒng)能使被控制量準(zhǔn)確無誤地跟隨并復(fù)現(xiàn)給定量，是一個(gè)位置反饋控制系統(tǒng)[1]，主要包括電機(jī)和驅(qū)動器兩部分，廣泛用于航空、航天、國防及工業(yè)自動化等自動控制領(lǐng)域。隨著電力電子、控制理論、計(jì)算機(jī)術(shù)等技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的不斷提高，伺服系統(tǒng)近年來獲得了迅速發(fā)展。

1伺服系統(tǒng)的發(fā)展階段

伺服系統(tǒng)的發(fā)展與伺服電動機(jī)的不同發(fā)展階段相聯(lián)系，由直流電機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)是直流伺服系統(tǒng)，由交流電機(jī)構(gòu)成伺服系統(tǒng)是交流伺服系統(tǒng)。伺服電動機(jī)至今經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段：

1.1 第一個(gè)發(fā)展階段（20世紀(jì)60年代以前）：步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)為步進(jìn)電動機(jī)或功率步進(jìn)電動機(jī)，位置控制為開環(huán)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72°、0.36°。

步進(jìn)電機(jī)存在一些缺點(diǎn)：在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象；一般不具有過載能力；步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。

1.2 第二個(gè)發(fā)展階段（20世紀(jì)60-70年代）：直流伺服電動機(jī)閉環(huán)伺服系統(tǒng)

由于直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，很多高性能驅(qū)動裝置采用了直流電動機(jī)，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開環(huán)系統(tǒng)發(fā)展成為閉環(huán)系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用領(lǐng)域，永磁式直流電動機(jī)占統(tǒng)治地位，其控制電路簡單，無勵(lì)磁損耗，低速性能好。

1.3 第三個(gè)發(fā)展階段（80年代至今）：無刷直流伺服電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)伺服系統(tǒng)

由于伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)及其材料、控制技術(shù)的突破性進(jìn)展，出現(xiàn)了無刷直流伺服電動機(jī)，交流伺服電動機(jī)等種種新型電動機(jī)。交流伺服電機(jī)包括永磁同步電機(jī)和感應(yīng)式異步電機(jī)，由永磁同步電機(jī)構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)在技術(shù)上己趨于完全成熟，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。又因?yàn)槲㈦娮蛹夹g(shù)的快速發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)的控制方式也迅速向微機(jī)控制方向發(fā)展，并由硬件伺服轉(zhuǎn)向軟件伺服或智能化的軟件伺服。利用PWM技術(shù)能夠方便地控制輸出電壓的幅值、相位、頻率，PWM技術(shù)己成為現(xiàn)代交流伺服的基礎(chǔ)性技術(shù)。[2] 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，控制性能可靠。交流伺服電機(jī)具有控制精度較高、運(yùn)行性能好、較強(qiáng)的過載能力等特點(diǎn)。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能，可檢測出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。

交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)存在的主要問題是交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的低速穩(wěn)定性問題，它是制約速度控制特性的主要問題，而提高速度的動態(tài)響應(yīng)，降低轉(zhuǎn)速波動，改善速度的控制特性是伺服驅(qū)動控制的主要目標(biāo)[3]。

2伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

2.1交流化

目前國際市場上，幾乎所有的新產(chǎn)品都是交流伺服系統(tǒng)，其中Kollmorgen公司的"金系列"代表了當(dāng)代永磁交流伺服技術(shù)的最新水平，在國內(nèi)生產(chǎn)交流伺服電機(jī)廠家也越來越多。

2.2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，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[4]，它們的智能化特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)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)對話的方式用軟件來設(shè)置，保存在伺服單元內(nèi)部，通過通信接口，這些參數(shù)可以在運(yùn)行途中由上位計(jì)算機(jī)加以修改；其次它們都具有故障自診斷與分析功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，它會將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶界清楚顯示出來，這就簡化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性；有的伺服系統(tǒng)還具有參數(shù)自整定的功能。

2.3 小型化

目前，伺服系統(tǒng)一般將整個(gè)控制回路裝在一臺現(xiàn)場儀表里，將伺服電機(jī)，現(xiàn)場儀表控制器安裝為一體。伺服系統(tǒng)一體化，使得它的安裝與調(diào)試工作都得到了簡化；將整個(gè)控制回路裝在一臺現(xiàn)場儀表里，又減少了因信號傳輸中的泄露和干擾等因素對系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性。而且最新型的伺服控制系統(tǒng)己經(jīng)開始使用智能控制功率模塊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在一個(gè)不大的模塊之中。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。

2.4網(wǎng)絡(luò)化

國際上以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動化工程技術(shù)在最近十年來得到了長足的發(fā)展，為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，交流伺服系統(tǒng)也應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口（如RS-232）和專用的局域網(wǎng)接口，以增強(qiáng)其與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力，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(gè)數(shù)控系統(tǒng)。現(xiàn)場總線企業(yè)網(wǎng)作為今后控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，以其所具有的開放性，網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，使它與INTRENET的結(jié)合成為可能，現(xiàn)在許多最新的伺服產(chǎn)品都具有現(xiàn)場總線接口。

3結(jié)束語

相信隨著材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的逐步提高，伺服系統(tǒng)必將獲得更加的快速發(fā)展，智能化、網(wǎng)絡(luò)化的交流伺服系統(tǒng)正成為現(xiàn)代伺服領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳伯時(shí).電力拖動自動控制系統(tǒng)[M] 1991：151-153.

[2]史敬灼，徐殿國，王宗培 應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)的脈寬調(diào)制技術(shù) 微電機(jī)[J] 2003，36（3）：36-40

[3]李葉松，鄧忠華等 交流伺服系統(tǒng)速度高精度特性的研究 華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)[J] 1994，22(4):89-93

[4]宋寶，唐小琦，吳建昆 全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器設(shè)計(jì)與研究機(jī)械與電子[J] 2004( 1)：39-41

作者簡介：吳舉秀（1974-），女，碩士研究生，講師，濟(jì)南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：工業(yè)過程智能檢測與控制。