伺服電機(jī)的應(yīng)用及技術(shù)控制措施研究

馬永紅

重慶德新機(jī)器人檢測(cè)中心有限公司 重慶 400714

1 引言

在目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展以及各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)在快速進(jìn)步的同時(shí)，伺服電機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也在不斷增多，同時(shí)也對(duì)伺服電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用提出了更高的要求。在目前以電機(jī)為核心的伺服電機(jī)控制技術(shù)中，其主要的作用就是將電能向機(jī)械能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，同時(shí)也在向數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展，以滿足現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展對(duì)更高的數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算處理能力的要求。為此，本文就對(duì)伺服電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用以及未來(lái)發(fā)展前景進(jìn)行闡述。

2 伺服控制系統(tǒng)的內(nèi)涵

在目前現(xiàn)代信息化技術(shù)的不斷發(fā)展中推動(dòng)了伺服電控技術(shù)的發(fā)展，以及伺服電控系統(tǒng)的在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用。而此種系統(tǒng)屬于自控系統(tǒng)的類型，也是一種負(fù)反饋系統(tǒng)，或者被稱為動(dòng)態(tài)隧動(dòng)系統(tǒng)，就是會(huì)隨著給定信號(hào)的不同而發(fā)生控制對(duì)象的改變。在此系統(tǒng)中比較重要的幾個(gè)部分主要有受控體、執(zhí)行器、控制器以及傳感器等。其中的受控體就是被控物件，而功率放大器和馬達(dá)共同組成了執(zhí)行器。目前此系統(tǒng)按照不同的執(zhí)行元件主要分為電氣伺服系統(tǒng)和電液伺服系統(tǒng)兩種。其中前者的可靠性和穩(wěn)定性比較好，也便于進(jìn)行維修和保養(yǎng)。而后者的特點(diǎn)就是采用電液脈沖馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)中心，表現(xiàn)出具有較高的反應(yīng)靈敏性、較好的剛性以及較小的時(shí)間常數(shù)等特點(diǎn)，且由于具有較小的速度起伏變化而具有運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。但是此種類型的伺服系統(tǒng)在運(yùn)行中容易出現(xiàn)較大的噪音以及發(fā)生漏油的問(wèn)題。而伺服系統(tǒng)按照反饋方式的不同還可以分為多種不同的類型，主要有脈沖數(shù)字比較、幅值比較或者是相位比較、全數(shù)字伺服系統(tǒng)等。

本文中的主要研究是按照不同的控制理論來(lái)對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行分類，主要分為以下三種類型：一是開環(huán)伺服系統(tǒng)。此種系統(tǒng)的內(nèi)部不存在運(yùn)動(dòng)反饋的控制回路和檢測(cè)的反饋裝置，具有工作穩(wěn)定以及較低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在此系統(tǒng)中主要的驅(qū)動(dòng)部件就是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在此系統(tǒng)的應(yīng)用中步距角、機(jī)械傳動(dòng)等精度會(huì)對(duì)此系統(tǒng)的精度造成影響，比較適合在精度和速度要求不高的設(shè)備中應(yīng)用。二是半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。此種系統(tǒng)的主要構(gòu)成有無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器以及測(cè)量速度的發(fā)電機(jī)。其中的變壓器中由于使用了脈沖編碼器，因此不會(huì)受到非線性因素的影響，而且由于將檢測(cè)位置和速度的器件安裝在電機(jī)軸或絲桿上，可以收集其信號(hào)進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)制。因此此種系統(tǒng)比較適合在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用，也就是需要在具有偏低精度要求的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置中應(yīng)用。同時(shí)為了提升其加工精度，可以應(yīng)用數(shù)控裝置來(lái)發(fā)揮其內(nèi)部的誤差補(bǔ)償功能以及間隙補(bǔ)償功能。三是全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。此系統(tǒng)的主要構(gòu)成有比較環(huán)節(jié)、伺服驅(qū)動(dòng)放大器、機(jī)械傳動(dòng)裝置以及電動(dòng)機(jī)和直線位移測(cè)量裝置等。其中的驅(qū)動(dòng)部分主要就是可以對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的移動(dòng)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)、反饋與修正。而且在對(duì)機(jī)床部件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以通過(guò)具有較高精度的全閉環(huán)控制位置系統(tǒng)，以及在工作臺(tái)上安裝的光棚或感應(yīng)同步器等來(lái)實(shí)現(xiàn)加工精度的提升。但是此種系統(tǒng)運(yùn)行中容易受到非線性因素的影響，而且具有較為復(fù)雜的安裝和調(diào)試過(guò)程。

3 伺服電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用

首先是其低頻特性的應(yīng)用。在應(yīng)用伺服電控技術(shù)進(jìn)行低速運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，容易導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行中的低頻振動(dòng)問(wèn)題，而由于電機(jī)空載時(shí)的起跳頻率為振動(dòng)頻率的2倍，容易由于上述問(wèn)題而影響設(shè)備的正常運(yùn)行，為此就需要通過(guò)阻尼技術(shù)來(lái)對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行控制。也就是在電機(jī)中進(jìn)行阻尼器或驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置，通過(guò)其中的細(xì)分技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制。通過(guò)此類伺服電機(jī)的應(yīng)用，表現(xiàn)出在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)穩(wěn)定性的提高，不僅可以通過(guò)其自帶的共振功能來(lái)彌補(bǔ)其機(jī)械剛性的不足，而且也可以通過(guò)其頻率解析功能來(lái)監(jiān)測(cè)機(jī)械共振點(diǎn)，避免出現(xiàn)共振問(wèn)題。

然后來(lái)分析一下精準(zhǔn)度的應(yīng)用。在電機(jī)軸后方進(jìn)行旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝之后可以控制交流伺服電機(jī)的精確度。以2000線編碼器為標(biāo)準(zhǔn)的全數(shù)字交流伺服電機(jī)，如果采用四倍頻技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器，其脈沖量為0.045°。而如果采用17位編碼器，則可以接收131072個(gè)脈沖為周期，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的脈沖量為0.0027466°。

4 伺服電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展前景

在目前的企業(yè)中對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)主要的形勢(shì)就是通過(guò)電機(jī)來(lái)對(duì)專用集成電路進(jìn)行控制，而且主要是應(yīng)用復(fù)雜可編程邏輯器件和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列等軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，就需要結(jié)合不同的用戶和電子系統(tǒng)的要求進(jìn)行集成電路的設(shè)計(jì)，而且通過(guò)此電路來(lái)滿足操作邊界的掃描，實(shí)現(xiàn)用戶可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行編程操控等操作。同時(shí)上述電路的設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)時(shí)間也比較短，這主要是由于用戶要求和數(shù)量比較少。此種電路與通用電路相比還表現(xiàn)出具有較輕的重量和較小的體積、以及較低的成本和功耗、較高的質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)此技術(shù)還會(huì)對(duì)電機(jī)控制MCU設(shè)計(jì)以及電機(jī)控制DSP設(shè)計(jì)等方面有所體現(xiàn)。在上世紀(jì)80年代中末期，此技術(shù)與催化加工技術(shù)進(jìn)行結(jié)合并取得了較大的應(yīng)用，而且此技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流伺服系統(tǒng)的替代，也成為未來(lái)的主要發(fā)展方向。同時(shí)在此技術(shù)的應(yīng)用中也與目前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合來(lái)向數(shù)字化和微處理器等方向發(fā)展，提升了其可靠性和柔性、降低了伺服系統(tǒng)的調(diào)試功能復(fù)雜程度、提升了其精度，推動(dòng)此技術(shù)向智能化、系統(tǒng)化以及數(shù)字化等方向發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

正是由于伺服電機(jī)控制技術(shù)在結(jié)合先進(jìn)的通信技術(shù)和電力電子技術(shù)之后表現(xiàn)出綜合性的優(yōu)點(diǎn)，提升了其技術(shù)水平，而且其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，更好地滿足社會(huì)需求，而且在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)更高的數(shù)控產(chǎn)品的同時(shí)，也推動(dòng)此技術(shù)向信息化、智能化以及高精密方向發(fā)展，給人們帶來(lái)更好的體驗(yàn)以及更高的經(jīng)濟(jì)效益。