伺服電機自適應(yīng)控制系統(tǒng)研究

鄭蕾 周雪松 尚穆楊 郭廷德

摘要：伺服電機是一種在控制系統(tǒng)中控制元件轉(zhuǎn)動的發(fā)動機，其體積小、功率高、重量輕、運行安全可靠、結(jié)構(gòu)簡潔。為了滿足因科技的迅猛發(fā)展，對伺服電機的精度有了相對以往來說更高的要求。而高精度的伺服電機取決于更加精確的模型，但是伺服電機運行過程中會受到很多外部條件以及內(nèi)部因素的影響，使得相應(yīng)的模型建立更為復(fù)雜，導(dǎo)致伺服電機控制系統(tǒng)性能高的特點難以在實際的運行中得以體現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：伺服電機;自動控制;應(yīng)用

1伺服電機的基本原理

根據(jù)伺服電機在伺服電機控制系統(tǒng)中工作方式，可以將伺服電機看作是一個執(zhí)行電動機。其在伺服系統(tǒng)中負責(zé)把系統(tǒng)的輸入信號即電壓信號轉(zhuǎn)換成電動機軸承的轉(zhuǎn)動的運動信號以輸出，伺服電機通過接受系統(tǒng)的輸入信號，完成不同程度的轉(zhuǎn)動，根據(jù)轉(zhuǎn)動速度，移位等物理量，就可以得到信號，不同的輸入信號對應(yīng)不同的輸出響應(yīng)信號，以這種方式可以精準的控制電動機的轉(zhuǎn)動。這種控制系統(tǒng)就是伺服電機控制系統(tǒng)，而系統(tǒng)中被控制的電動機就是一個伺服電機。根據(jù)伺服電機在伺服系統(tǒng)中使用的電源不同，一般可以分為兩種不同形式伺服電機，即直流伺服電機與交流伺服電機，其中直流伺服電機在實際應(yīng)用中最大輸出功率一般可達到600W左右，因此直流伺服電機一般情況下應(yīng)用在需要較大的輸出功率的伺服控制系統(tǒng)中。交流伺服電機在伺服系統(tǒng)中輸出功率上限卻只能在100W在右，所以在伺服系統(tǒng)中交流伺服電機一般情況下是用于精度較高而對功率要求比較小的控制系統(tǒng)中。

2伺服電機的分類及應(yīng)用

2.1直流伺服電機

直流伺服電機，它由定子、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機轉(zhuǎn)軸、伺服電機繞組換向器、伺服電機繞組、測速電機繞組、測速電機換向器構(gòu)成。直流伺服電機分為有刷和無刷兩種電機，有刷電機具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩大、能夠進行大范圍調(diào)速等特點。有刷電機的缺點是會產(chǎn)生電子干擾，從而對工作環(huán)境有要求。無刷直流伺服電機具有體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、力矩穩(wěn)定等特點。易于實現(xiàn)智能化、電機不需要維護、效率高、噪音小、壽命長，適用于各種環(huán)境。

2.2交流伺服電機

交流伺服電機的結(jié)構(gòu)主要可分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。而定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本一致，在定子上安放著空間位置構(gòu)成90度的兩相繞組。有一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，因此交流伺服電動機又稱為兩個伺服電動機。交流伺服電機具有較寬的調(diào)速范圍、機械特性好、沒有“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象等特點，由于交流伺服電機的轉(zhuǎn)子做得細而長，因此它的反應(yīng)速快、轉(zhuǎn)動慣量小，并且運行平穩(wěn)，以至于被廣泛應(yīng)用。

3伺服電機控制系統(tǒng)的工作原理

主要以伺服電機作為動力源的電動卷閘門進行控制系統(tǒng)的研究，控制伺服電機的啟停、加減速、正反轉(zhuǎn)，以改變普通電動卷閘門的運行方式。在電動卷閘門系統(tǒng)中主要由PLC控制器、感應(yīng)器件、伺服驅(qū)動器和傳動裝置組成，其主要原理是通過改變電機的旋轉(zhuǎn)頻率來達到控制電機的運轉(zhuǎn)速度，以及在電動卷閘門下降的過程中通過感應(yīng)器件來判斷門底是否有人，以防止電動卷閘門撞人，起到安全運行的作用。系統(tǒng)控制目標(biāo)為：（1）實現(xiàn)電機的啟?？刂啤＃?）實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)控制。（3）實現(xiàn)電機的加減速控制。（4）設(shè)計合理的安全保護。

4自適應(yīng)控制的基本原理

所謂的自適應(yīng)就是系統(tǒng)在一些內(nèi)部因素、外部環(huán)境變化所帶來的系統(tǒng)參數(shù)、輸入輸出等數(shù)據(jù)變化時，可以將系統(tǒng)偏差通過各種自動控制方式，調(diào)節(jié)系統(tǒng)以增加系統(tǒng)對干擾的適應(yīng)的過程。自適應(yīng)控制即為一種可以在控制系統(tǒng)運行中可以改變自身系統(tǒng)的各種參數(shù)以達到可以自動適應(yīng)系統(tǒng)輸入或其他擾動所帶來的變化以達到系統(tǒng)穩(wěn)定的控制方式。自適應(yīng)控制系統(tǒng)的原理說的通俗一點就是一個控制系統(tǒng)本來按照一定的即成規(guī)律運行，這時它是穩(wěn)定的，但如果這時有一個意外因素出現(xiàn)了，它擾亂了系統(tǒng)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在不加干預(yù)的情況下系統(tǒng)可能會偏移穩(wěn)定狀態(tài)使得整個系統(tǒng)崩潰，這時候如果加上一個控制器來使得系統(tǒng)在偏移穩(wěn)定值時可以使系統(tǒng)回到原來的穩(wěn)定值。那么這就成了一個自適應(yīng)系統(tǒng)。自適應(yīng)控制在各個方面都有著非常優(yōu)越的表現(xiàn)，但是其受制于多種因素，在其應(yīng)用上仍有許多亟待解決的問題。首先便是在自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計中要在系統(tǒng)運行中對整個系統(tǒng)在運行時的數(shù)據(jù)進行采集，在實驗室里我們可以通過調(diào)整實驗環(huán)境來調(diào)整我們的數(shù)據(jù)以達到對當(dāng)前自適應(yīng)控制系統(tǒng)最理想的工作數(shù)據(jù)，但在實際的設(shè)計中現(xiàn)場環(huán)境等因素會時時刻刻影響著系統(tǒng)，尤其是現(xiàn)今這種日新月異的環(huán)境下我們對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量采集變的愈發(fā)的困難。

5MIT自適應(yīng)律

利用MIT自適應(yīng)律進行系統(tǒng)的搭建時，需要先對系統(tǒng)進行分析，依據(jù)數(shù)學(xué)建模方法搭建出系統(tǒng)的參考模型，然后就可以依據(jù)系統(tǒng)的參考模型的輸出與真實的系統(tǒng)輸出之間的差值確定一個偏移量e，e稱之為系統(tǒng)的廣義誤差。因為在實際的系統(tǒng)控制中會通過改變控制器的參數(shù)來使得e在無窮大處趨近于0。

6伺服控制系統(tǒng)

6.1開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)不設(shè)置檢測反饋裝置，不構(gòu)成運動反饋控制回路，電動機按裝置發(fā)出的指令脈沖工作，對運動誤差沒有檢測反饋和處理修正過程，采用步進電機作為驅(qū)動器件，精度完全取決于步進電動機的步距角精度和機械部分的傳動精度，難以達到高精度要求。步進電動機的轉(zhuǎn)速不可能很高，運動部件的速度受到限制。但步進電機結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低，且其控制電路也簡單。所以開環(huán)控制系統(tǒng)多用于精度和速度要求不高的經(jīng)濟型設(shè)備。

6.2半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

半閉環(huán)伺服系統(tǒng)采用電機內(nèi)的脈沖編碼器，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器或測速發(fā)電機作為位置/速度檢測器件來構(gòu)成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)的反饋信號取自電機軸或絲桿上，給系統(tǒng)中的機械傳動裝置處于反饋回路之外，其剛度等非線性因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響，安裝調(diào)試比較方便。定位精度與機械傳動裝置的精度有關(guān)，而數(shù)控裝置都有螺距誤差補償和間隙補償?shù)软椆δ?，在傳動裝置精度不太高的情況下，可以利用補償功能將加工精度提高到滿足的程度。故半閉環(huán)伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床中應(yīng)用很廣。

6.3全閉環(huán)伺服系統(tǒng)

閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要由比較環(huán)節(jié)、伺服驅(qū)動放大器，進給伺服電動機、機械傳動裝置和直線位移測量裝置組成。對機床運動部件的移動量具有檢測與反饋修正功能，采用直流伺服電動機或交流伺服電動機作為驅(qū)動部件?？梢圆捎弥苯影惭b在工作臺的光柵或感應(yīng)同步器作為位置檢測器件，來構(gòu)成高精度的全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的直線位移檢測器安裝在移動部件上，其精度主要取決于位移檢測裝置的精度和靈敏度，其產(chǎn)生的加工精度比較高。

結(jié)束語：新世紀新騰飛，新技術(shù)必定帶來高端的產(chǎn)品。在各項科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，并且伴隨著制造業(yè)的不斷升級和制造技術(shù)的不斷改進不斷發(fā)展，相信在材料技術(shù)以及計算機技術(shù)、微電子技術(shù)以及控制理論技術(shù)和電機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)之一的伺服電機驅(qū)動技術(shù)迎來一個更美好的明天，迎來一個大好的發(fā)展時機。

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