伺服系統(tǒng)的發(fā)展和優(yōu)點

1、伺服系統(tǒng)的發(fā)展和優(yōu)點二十世紀 80 年代早期，當機械制造公司為汽車制造引擎和變速箱 時，每分鐘的停工成本逾千美元， 制造商需要一種解決辦法保護開工率， 并且一旦出現(xiàn)故障，應(yīng)當盡快地恢復(fù)生產(chǎn)。滿足最長開工期的需求最終 成為了伺服系統(tǒng)得以應(yīng)用的催化劑。長期以來，伺服動作控制作為昂貴的元件集合，服務(wù)于要求精度和 過程效率的高性能應(yīng)用?，F(xiàn)如今，批量生產(chǎn)和技術(shù)革新使成本降低，伺 服系統(tǒng)頻繁地出現(xiàn)在低性能應(yīng)用中，在這里伺服系統(tǒng)的優(yōu)點得以呈現(xiàn)， 但總成本沒有增加。為了更好地理解伺服系統(tǒng)在包裝的各個領(lǐng)域中的優(yōu)勢，首先需要對 運動控制系統(tǒng)有一個基本的了解，尤其是伺服電機和伺服傳動機構(gòu)。一個基本的運動控制系統(tǒng)包括

2、：運動控制器： 運動控制器是運動控制系統(tǒng)的大腦， 向伺服電機發(fā)出 執(zhí)行指示。伺服電機： 伺服電機是動作控制系統(tǒng)的肌肉， 將伺服傳動機構(gòu)的電 能轉(zhuǎn)化為使機器動作的機械能。伺服傳動機構(gòu)（亦稱為增強器）： 伺服傳動機構(gòu)或增強器，接收動 作控制器發(fā)出的低級指令，然而大幅度地增強這些指令，向伺服電機提 供必要的能量。反饋設(shè)施： 反饋設(shè)施，如編碼器或解算器，將實時方位和速度信息 反饋給動作控制器。伺服電機伺服電機以其快速加速和減速的能力而聞名遐邇，通過高峰值扭矩 和高扭矩 -慣矩比實現(xiàn)這種能力，可以為功率需求從幾百瓦到 75kW 以上 的應(yīng)用提供服務(wù)。伺服電機在機床和自動機器等傳統(tǒng)的動作控制應(yīng)用中表現(xiàn)出卓

3、越的動力反應(yīng)和精確度。 伺服電機可以按照以下四個標準分類： 磁體類型（感應(yīng)或永磁），機械技術(shù)（旋轉(zhuǎn)或線性），電氣技術(shù)（交流 無刷或直流電刷）以及結(jié)構(gòu)（殼體式或無框架式）。感應(yīng)或異步伺服電機通過轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場的轉(zhuǎn)速之差產(chǎn)生扭 矩。差值（稱為轉(zhuǎn)差）越大，扭矩越高。在伺服電機的定子上施予交流 電，隨后在轉(zhuǎn)子感應(yīng)產(chǎn)生出一個磁場，這就是此類電機被稱為感應(yīng)電機 的原因。異步伺服電機多數(shù)應(yīng)用于高功率的工況中。永磁磁鐵或同步伺服電機的定子與感應(yīng)電機相似。但是與感應(yīng)伺服 電機不同的是，這種電機的轉(zhuǎn)子上裝配著永磁磁鐵。轉(zhuǎn)子和定子的磁場 同時、同步、以相同的速度旋轉(zhuǎn)。當電機上施加負荷時，磁極間出現(xiàn)位 置調(diào)準的微

4、差，由此產(chǎn)生扭矩。微差越大，扭矩越高。伺服電機通常產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動作，然后通過機械元件轉(zhuǎn)化為線性動作。 然而線性伺服電機可以直接產(chǎn)生線性動作，無需附加的機械元件。線性 伺服電機既可以是感應(yīng)電機，也可以是永磁磁鐵電機。其優(yōu)點在于，線 性伺服電機能夠比旋轉(zhuǎn)伺服電機獲得更高的加速 /減速比、電位精度和速 度。但是旋轉(zhuǎn)伺服電機通過齒輪箱和類似的傳動系元件以速度換取扭矩 來獲得扭矩的成倍增加。而線性伺服電機必須直接產(chǎn)生應(yīng)用所需的全部 力，因此它們常常僅限于使用在小型機器上。交流無刷伺服電機，現(xiàn)代定位應(yīng)用的主要電機，實際上是前文提到 的永磁伺服電機，只是與直流電刷伺服電機（也是一種永磁磁鐵同步電 機）對照而言，

5、后者占據(jù)了二十年前伺服電機的主導(dǎo)地位。直流電刷伺 服電機的定子上裝有磁鐵，直流電通過碳刷組件作用在轉(zhuǎn)子上，電機旋 轉(zhuǎn)時，通過電刷施加到轉(zhuǎn)子的電壓極性被一種叫做換向器的機械組件不 斷地逆轉(zhuǎn)。如果沒有這個機械換向器，電機將鎖定在某一個位置上，停 止了運轉(zhuǎn)。由于換向是通過機械手段和電刷的滑動接觸向轉(zhuǎn)子施加的電 能實現(xiàn)的，因此經(jīng)常出現(xiàn)機械磨損和維修問題。交流無刷伺服電機不需 要電刷，換向在伺服傳動機構(gòu)之內(nèi)電子完成，達到了零磨損和零維修。最后，殼體式與無框架式結(jié)構(gòu)的伺服電機代表了伺服電機包裝的一 些近期發(fā)展。傳統(tǒng)的伺服電機是殼體式結(jié)構(gòu)，作為一個單獨的部件連接 到機器上。機械能通過電機的軸傳遞給機器，電機

6、的軸以各種方式與機 器連接，如聯(lián)軸節(jié)、皮帶輪或齒輪箱?，F(xiàn)在，要求苛刻的應(yīng)用使用無框 架式或“成套”電機，即電機與機器的結(jié)構(gòu)合為一體。設(shè)備制造商如今必須在機器上安裝轉(zhuǎn)子、 定子和反饋元件。 這種電機代表了動力的頂峰， 比殼體式伺服電機占用的空間少了許多。伺服傳動機構(gòu)與伺服電機同樣，伺服傳動機構(gòu)也具有一些明顯的特征。例如，密 閉式結(jié)構(gòu)的伺服傳動機構(gòu)作為一個獨立的單元直接安裝在機器上，或者 開放式結(jié)構(gòu)的伺服傳動機構(gòu)需要安裝在一個機柜內(nèi)。伺服傳動機構(gòu)既可 以分布配電，也可以獨立供電；既可以通過儲存（電容器）、燃燒（泄 流電阻器）處理再生能，也可以將再生能送回輸電線中。每種應(yīng)用都是獨一無二的，為了獲得最

7、佳效果，動作系統(tǒng)設(shè)計人員 應(yīng)當為每種應(yīng)用設(shè)計匹配的伺服系統(tǒng)。對于每分鐘做數(shù)百次沖程的樞軸 來說，合理的做法是將再生能儲存在電容器中， 為下一次加速進行儲備 對于高速運動、每分鐘的循環(huán)次數(shù)少的樞軸來說，應(yīng)當在電阻器中燒去 多余的能量。做諸如拉伸等動作的軸不斷地再生能量，那么最佳選擇是 將這些能量送回供電線。 如果一臺機器中有多個軸從一個中央位置控制， 最合理的設(shè)計是分布配電系統(tǒng)。當某些軸加速，另一些軸減速，則從電 源線抽取的能量減少，同時降低（或消除）了處理再生能的附加電容器 或泄流電阻器的需要。為某種應(yīng)用選擇正確的伺服系統(tǒng)可以降低成本， 改進性能，提高堅固性，減少停工時間。伺服系統(tǒng)的優(yōu)點伺服系

8、統(tǒng)的模件性和緊湊性為設(shè)備制造商和最終用戶帶來了更大的 機器靈活性，縮短了準備時間，減少了相應(yīng)的浪費，并且通過消除機械 元件的缺陷改進了質(zhì)量。伺服系統(tǒng)的長周期、可靠和可重復(fù)的特性可以 提高許多動作控制應(yīng)用的處理量和處理速度?？傮w而言，開車和切換時 的浪費減少，機械元件少使磨損降低所節(jié)省下來的費用大大地抵消了伺 服系統(tǒng)的購買成本。除了生產(chǎn)率和精確度等令人動心的優(yōu)點之外， 伺服系統(tǒng)的操作性好， 同時可以提供多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)選項，如 Ethernet TCP/IP， Profibus-DP, DeviceNet, INTERBUS-S , ControlNet 和 Rexroth 標準 SERCOS

9、。SERCOS是唯一的開放式標準，協(xié)調(diào)、同步化數(shù)字動作控制， 是動作控制系統(tǒng)及其傳動機構(gòu)的數(shù)字界面。這種通訊標準（ IEC 認可為 IEC-61491）允許多個伺服傳動機構(gòu)通過一根共用的抗噪光纖電纜連接到一個動作控制器上。一旦安裝就位， SERCOS 網(wǎng)絡(luò)連接形成一個回路， 避免了為每一個傳動機構(gòu)單獨硬接線到動作控制器。 SERCOS 標準真正 與眾不同之處在于，它通過一個保證毫微秒同步的協(xié)議協(xié)調(diào)自動化設(shè)備 上多個樞軸的動作。它同時提供控制系統(tǒng)和傳動機構(gòu)之間變量交換的標 準化格式。諸如 SERCOS 等網(wǎng)絡(luò)選項有助于提高通訊速度，增強抗噪能力，擴 大開放性，使硬件標準化以及使用更少的連接電纜和電線，從而進一步 簡化了元部件的更新和系統(tǒng)升級。伺服系