伺服電機(jī)在自動(dòng)控制方面的應(yīng)用

【摘要】伺服電機(jī)，準(zhǔn)確的說(shuō)：伺服系統(tǒng)是一類(lèi)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)速，然后將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求的一個(gè)系統(tǒng)，它的核心是控制器，控制對(duì)象為伺服電機(jī)，以機(jī)械運(yùn)動(dòng)為驅(qū)動(dòng)設(shè)備，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電力電子功率表變換裝置，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。本文在介紹伺服電機(jī)工作原理以及在數(shù)控自動(dòng)化的方面應(yīng)用的同時(shí)，分析其不足及未來(lái)的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】伺服電機(jī)；自動(dòng)控制；原理；應(yīng)用

1、前言

近些年來(lái)，有目共睹的是：人民生活水平在日益的提高，消費(fèi)也在不斷的攀升，隨著認(rèn)知度以及對(duì)自身生活品質(zhì)的要求不斷被提到日程上，消費(fèi)者不僅對(duì)內(nèi)在物質(zhì)的品質(zhì)提出了要求，還在包裝上也提出了相應(yīng)的要求，這就使得生產(chǎn)廠商不得不將自己的生產(chǎn)設(shè)備更新?lián)Q代，以加快生產(chǎn)，更高要求的滿足人們的需求，所以自動(dòng)化數(shù)控設(shè)備被引入了生產(chǎn)，同時(shí)伺服電機(jī)更是得到了廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)近些年來(lái)的觀察以及發(fā)展趨勢(shì)可知，伺服電機(jī)控制技術(shù)正在向數(shù)字化、智能化、交流化的方向發(fā)展，那么作為數(shù)控機(jī)床的一部分，同時(shí)也作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，伺服電機(jī)要怎么樣的被更好的利用于各大數(shù)控機(jī)床呢？隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)，微電子技術(shù)、現(xiàn)在控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，日新月異的進(jìn)程中，對(duì)伺服電機(jī)的技術(shù)、現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)做一個(gè)簡(jiǎn)要的探討。

2、伺服電機(jī)簡(jiǎn)介

目前，在生產(chǎn)中，我們通常所使用的是交流伺服電機(jī)，以交流伺服電機(jī)為例，來(lái)分析其結(jié)構(gòu)的組成。

交流伺服電機(jī)大致上可分為兩大部分，即轉(zhuǎn)子和定子部分。其中，我們一般常用的鼠籠形轉(zhuǎn)子和非磁性杯行轉(zhuǎn)子就是這里所說(shuō)的轉(zhuǎn)子部分。那么定子部分呢？常用的定子結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子有異曲同工之處，他們都是在定子鐵心中安放著空間互成90度的兩相繞組組成，故此，伺服電機(jī)也可被稱為是兩相的交流電動(dòng)機(jī)。

在兩種常用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，鼠籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)由轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)軸以及轉(zhuǎn)子繞組組成，而非磁性杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)的外定子與鼠籠形的定子結(jié)構(gòu)完全一樣，而內(nèi)定子確有著差別，它是由環(huán)形的鋼片疊成，作為電機(jī)磁路的一部分，內(nèi)定子通常不放繞組，只是代替鼠籠轉(zhuǎn)子的鐵心而已。

但是依據(jù)目前市場(chǎng)的情況來(lái)看，一般被廣泛應(yīng)用的是鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)，因?yàn)榉谴判员无D(zhuǎn)子的慣量小，軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小。還因?yàn)樗霓D(zhuǎn)子之間沒(méi)有齒槽，導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有齒槽粘合的現(xiàn)象，在恒速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，抖動(dòng)的現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生，但是在相同的體積和重量下，以一定的功率范圍內(nèi)來(lái)看，杯形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)比鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)所產(chǎn)生的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和輸出功率都小，與此同時(shí)，杯形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)的構(gòu)造和制造工藝相對(duì)來(lái)說(shuō)更復(fù)雜。故此，杯形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)只有在要求運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)的某些場(chǎng)合下才被使用（如：積分電路）。

3、伺服電機(jī)在數(shù)控上的應(yīng)用

3.1伺服電機(jī)在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用特點(diǎn)

交流伺服電機(jī)是無(wú)刷電機(jī)的一種，但是它分為同步和異步電機(jī)，在運(yùn)動(dòng)控制中較常見(jiàn)的是同步電機(jī)，就因?yàn)樗梢宰龅胶艽蟮墓β?，在最高轉(zhuǎn)動(dòng)的情形下，速度低，并且隨著功率增大而快速降低，因此適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。故此精度高，調(diào)速范圍寬、能在低速時(shí)輸出大的轉(zhuǎn)矩，還有快速響應(yīng)且無(wú)超調(diào)就是其最大的特點(diǎn)。

3.2伺服電機(jī)較之其它電動(dòng)機(jī)有那些優(yōu)勢(shì)

交流伺服電機(jī)在很多方面的性能都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，雖然在一些特殊的場(chǎng)合或者在一些要求不高的場(chǎng)合經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，但是交流伺服電機(jī)依然是呼聲最高應(yīng)用最廣的電機(jī)，那么比之步進(jìn)電機(jī)有那些方面的不同呢？

其一在控制精度上的不同。交流伺服電機(jī)的控制精度是由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證，而兩相步進(jìn)電機(jī)的距角一般為3.6度、18度，五相混合式步進(jìn)電機(jī)距角為0.72度、0.36度。

其二、低頻特性的不同。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)容易出現(xiàn)低頻振動(dòng)的現(xiàn)象。由于步進(jìn)電機(jī)工作原理的特性決定了低頻振動(dòng)的現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)說(shuō)是有害而無(wú)利的，但是交流伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)卻非常的平穩(wěn)，即使是在非常低的速度下，也能保持平穩(wěn)性而不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)。那是因?yàn)榻涣魉欧到y(tǒng)具有共振抑制的功能，在系統(tǒng)的內(nèi)部存在著頻率解析機(jī)能，在檢測(cè)到機(jī)械有共振點(diǎn)的時(shí)候就會(huì)適時(shí)的進(jìn)行調(diào)整。

還有矩頻特性、過(guò)載能力、以及運(yùn)行性能和速度響應(yīng)性能的不同。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要綜合考慮控制的要求、成本等以及多方面因素，在適時(shí)的選用較為適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。

4、伺服電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著中國(guó)從制造業(yè)大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞓I(yè)強(qiáng)國(guó)的進(jìn)程和數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的性能價(jià)格比逐漸提高的基礎(chǔ)上，交流伺服系統(tǒng)作為控制電機(jī)類(lèi)高檔精密部件，它在行業(yè)中的市場(chǎng)也是在穩(wěn)步上升。那么作為數(shù)控機(jī)床最重要的組成部分，同時(shí)伺服系統(tǒng)也一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標(biāo)之一。

近年來(lái)圍繞著伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)特性的提高，也是發(fā)展并且出現(xiàn)了多種伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。決定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵性因素依然是伺服控制技術(shù)，但由于交流伺服系統(tǒng)本身的有著極其先進(jìn)的控制原理以及低成本，免維護(hù)的特性，更何況其控制特性也在全面的超越直流伺服系統(tǒng)，勢(shì)必在今后的發(fā)展過(guò)程中將大部分甚至是全部代替直流伺服系統(tǒng)，按照當(dāng)前的運(yùn)轉(zhuǎn)模式來(lái)分析，其今后比向高效率化，告訴，高精度化以及高性能化的方向發(fā)展。

不僅如此，隨著目前智能化的大幅度推廣以及網(wǎng)絡(luò)化模塊化的盛行，而現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備也同時(shí)具備著參數(shù)記憶的功能，以及自身故障的診斷和分析的功能，有的伺服電機(jī)甚至還具備了識(shí)別參數(shù)的性能，還能在發(fā)現(xiàn)振動(dòng)的時(shí)候自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行抑制，自動(dòng)將編碼器進(jìn)行測(cè)定并歸零，這些都是伺服電機(jī)在智能化法相的發(fā)展趨勢(shì)。而網(wǎng)絡(luò)化的重點(diǎn)發(fā)展方向就是如何適應(yīng)高性能運(yùn)動(dòng)控制對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、同步性以及可靠性的要求。高檔數(shù)控系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)，也預(yù)示著網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字伺服開(kāi)發(fā)成為當(dāng)下的當(dāng)務(wù)之急，還有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源、再生制動(dòng)、以及電機(jī)與電機(jī)之間的通訊都在不斷的向模塊化方向發(fā)展。

5、結(jié)束語(yǔ)

新世紀(jì)新騰飛，新技術(shù)必定帶來(lái)高端的產(chǎn)品。在各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，并且伴隨這制造業(yè)的不斷升級(jí)和制造技術(shù)的不斷改進(jìn)不斷發(fā)展，相信在材料技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及控制理論技術(shù)和電機(jī)制造工藝水平的逐步提高與發(fā)展，必將為加工業(yè)和制造業(yè)的核心技術(shù)之一的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)迎來(lái)一個(gè)更美好的明天，迎來(lái)一個(gè)大好的發(fā)展時(shí)機(jī)。

參考文獻(xiàn)

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[2]張初生.《伺服電機(jī)控制技術(shù)》.機(jī)電技術(shù)，2006.5.28