探析伺服控制的結(jié)構(gòu)類型及發(fā)展趨勢(shì)

段云海 湖南師大附中梅溪湖中學(xué)

探析伺服控制的結(jié)構(gòu)類型及發(fā)展趨勢(shì)

段云海 湖南師大附中梅溪湖中學(xué)

隨著工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，以及全球各國(guó)之間的交流更加頻繁，這加快了我國(guó)進(jìn)入工業(yè)時(shí)代的腳步，工業(yè)智能產(chǎn)品由原來的大量進(jìn)口，到最近幾年國(guó)內(nèi)出現(xiàn)很多自主研發(fā)的品牌產(chǎn)品，當(dāng)然，產(chǎn)品還在不斷的完善研究當(dāng)中。伺服產(chǎn)品在工業(yè)智能產(chǎn)品中有著非常重要的位置，很多工業(yè)設(shè)備中運(yùn)用非常頻繁。本文從工業(yè)伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)類型以及控制方式到目前發(fā)展現(xiàn)狀、未來的發(fā)展趨勢(shì)作出了總結(jié)。

伺服產(chǎn)品 目前現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢(shì)

1 伺服控制基本概念

(1)伺服控制是實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到機(jī)械運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換裝置或部件，以位移、速度、加速度等參數(shù)為控制對(duì)象，在控制命令的指揮下，控制執(zhí)行元件工作，使機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件按照控制命令的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，所以伺服控制是一種以機(jī)械參數(shù)作為被控量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

(2)伺服控制也稱隨動(dòng)控制，是一種能夠及時(shí)跟蹤輸入給定信號(hào)并產(chǎn)生動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度等輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。大多數(shù)伺服系統(tǒng)具有檢測(cè)反饋回路，因而伺服控制是一種反饋控制系統(tǒng)。

2 伺服控制的基本類型

按控制原理的不同分為開環(huán)、全閉環(huán)和半閉環(huán)這三種基本類型伺服系統(tǒng)。

2.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)

若伺服系統(tǒng)沒有檢測(cè)反饋信號(hào)的裝置則稱為開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但精度不是很高，且速度也有一定的限制。雖然開環(huán)控制在精度方面有不足，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、調(diào)整和維修都比較方便，其工作穩(wěn)定、可靠，因此在一些精度和速度要求不很高的場(chǎng)合，如線切割機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備中獲得廣泛應(yīng)用。

2.2 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中將檢查裝置件直接安裝在移動(dòng)部件上，直接測(cè)量移動(dòng)部件的實(shí)際位移來進(jìn)行位置反饋的系統(tǒng)稱為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高精度位置控制的一種理想的控制方案，但實(shí)現(xiàn)起來難度很大，存在穩(wěn)定性問題：由于全部的機(jī)械傳動(dòng)鏈都被包含在位置閉環(huán)之中，機(jī)械傳動(dòng)鏈的慣量、間隙、摩擦、剛性等非線性因素都會(huì)給伺服系統(tǒng)造成影響，從而使系統(tǒng)的控制和調(diào)試變得異常復(fù)雜，制造成本亦會(huì)急速攀升。因此，全閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要一般用于高精密和大型的機(jī)電一體化設(shè)備。

2.3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中將檢查裝置件安裝在伺服電機(jī)軸或者傳動(dòng)裝置末端，間接測(cè)量移動(dòng)部件位移來進(jìn)行位置反饋的系統(tǒng)稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，將編碼器和伺服電機(jī)作為一個(gè)整體，編碼器完成角位移檢查和速度檢測(cè)，而用戶無需考慮位置檢測(cè)裝置的安裝問題，這種系統(tǒng)調(diào)試較容易、穩(wěn)定性好，具有較高的性價(jià)比，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備中。

3 交流AC伺服控制系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

我國(guó)從1970年代開始跟蹤開發(fā)交流伺服技術(shù)，主要研究力量集中在高等院校和科研單位，以軍工、宇航衛(wèi)星為主要應(yīng)用方向，不考慮成本因素。主要研究機(jī)構(gòu)是北京機(jī)床所、西安微電機(jī)研究所、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所等。80年代之后開始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，直到2000年，國(guó)產(chǎn)伺服停留在小批量、高價(jià)格、應(yīng)用面狹窄的狀態(tài)，技術(shù)水平和可靠性難以滿足工業(yè)需要。2000年之后，隨著中國(guó)變成世界工廠、制造業(yè)的快速發(fā)展為交流伺服提供了越來越大的市場(chǎng)空間，國(guó)內(nèi)伺服迅速發(fā)展。

由于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料與控制理論的發(fā)展，目前已進(jìn)入伺服技術(shù)的交流化時(shí)代，相繼開發(fā)出各種類型的AC伺服系統(tǒng)，并廣泛用于運(yùn)動(dòng)控制，在相當(dāng)廣泛的范圍內(nèi)，取代了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，時(shí)至當(dāng)前，已成為伺服系統(tǒng)的主流。

4 伺服控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

綜合AC伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程與現(xiàn)狀，可以看出AC伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)為：

①伺服技術(shù)繼續(xù)迅速地由直流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向交流化?？梢灶A(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，AC伺服系統(tǒng)將完全取代直流伺服系統(tǒng)。

②AC伺服系統(tǒng)向兩大方向發(fā)展：一個(gè)方向是簡(jiǎn)易、低成本AC伺服系統(tǒng)將迅速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。與此相反，另一個(gè)方向是向更高性能的全數(shù)字化、智能化軟件伺服的方向發(fā)展，這是AC伺服系統(tǒng)的發(fā)展主流，代表AC伺服系統(tǒng)發(fā)展的水平和主導(dǎo)方向。

③AC伺服系統(tǒng)中所用的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能功率集成電路將進(jìn)一步得到普遍應(yīng)用。

④AC伺服系統(tǒng)中所用的位置與速度傳感器由單一功能向多功能一體化方向發(fā)展。傳感器的電子信號(hào)處理部分將以微處理器為核心構(gòu)成獨(dú)立的微機(jī)系統(tǒng)，成為高性能AC伺服系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分；另一方面與簡(jiǎn)易低成本AC伺服系統(tǒng)的發(fā)展相適應(yīng)，小型低成本低分辨率傳感器也將得到更廣泛的應(yīng)用。

⑤在AC伺服系統(tǒng)控制器的制造上，結(jié)構(gòu)日趨小型化，采用多單元組合構(gòu)成多坐標(biāo)軸控制器，大板結(jié)構(gòu)，可靠性進(jìn)一步提高，便于維護(hù)及擴(kuò)充。

[1]劉宏新.機(jī)電一體化技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：206.

[2]郭慶鼎，王成元.交流伺服系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994：225.

段云海，姓別：男，民族：漢族，籍貫：湖南省長(zhǎng)沙市，單位：湖南師大附中梅溪湖中學(xué)，研究方向：電子信息方面。