現(xiàn)代伺服系統(tǒng)綜述與認(rèn)識(shí)

現(xiàn)代伺服系統(tǒng)綜述與認(rèn)識(shí)VA\K一、總述隨著材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及電動(dòng)機(jī)制造工藝水平的逐步提高，電氣傳動(dòng)技術(shù)將逐漸取代液壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)技術(shù)而廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)、航空、導(dǎo)航系統(tǒng)、雷達(dá)天線、精密數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人等領(lǐng)域。電氣伺服系統(tǒng)是電氣傳動(dòng)技術(shù)的一種體現(xiàn)形式，主要由伺服電動(dòng)機(jī)和控制器組成，典型的位置伺服系統(tǒng)是由位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成的，以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液態(tài)伺服電動(dòng)機(jī)或以功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)為中心，伺服系統(tǒng)的控制為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。第二個(gè)發(fā)展階段是2O世紀(jì)六七十年代，直流伺服電動(dòng)機(jī)誕生并全盛發(fā)展，由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，被很多高性能驅(qū)動(dòng)裝置采用，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開(kāi)環(huán)系統(tǒng)發(fā)展成為閉環(huán)系統(tǒng)。第二三個(gè)發(fā)展階段是20世紀(jì)80年代至今，以機(jī)電一體化時(shí)代為背景。與其相適應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置也經(jīng)歷了模擬式、數(shù)模混合式和全數(shù)字化式階段。其中數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)更符合數(shù)字化控制模式的潮流，且調(diào)試、使用簡(jiǎn)單，因而倍受青睞。交流伺服系統(tǒng)由于控制原理的先進(jìn)性，成本低、免維護(hù)，并且控制特性正在全面超越直流伺服系統(tǒng)，勢(shì)必將在絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流伺服系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，交流伺服系統(tǒng)的研究將繼續(xù)成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，并將帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，同時(shí)由于新技術(shù)、新工藝和控制策略在伺服系統(tǒng)中的不斷更新，將會(huì)在控制領(lǐng)域有一個(gè)全新的革命，值得我們一起去領(lǐng)略。二、現(xiàn)代交流伺服技術(shù)的應(yīng)用隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各行各業(yè)對(duì)電氣伺服系統(tǒng)的需求日益增加，并對(duì)其性能提出了更高的需求。例如：要求伺服系統(tǒng)有良好的位置控制能力及較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、較高的加、減速能力及較寬的調(diào)速范圍，并能夠頻繁地起動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)切換，使其在全速度范圍內(nèi)能夠平穩(wěn)的運(yùn)行。為此，目前的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已由50~60年代的直流伺服系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變成交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并且精密的交流伺服系統(tǒng)已由開(kāi)環(huán)控制變成閉環(huán)控制。且隨著大功率晶閘管的出現(xiàn)，以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)外大多數(shù)采用全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)。由于交流伺服系統(tǒng)有著優(yōu)越的性能，所以被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造裝備、工業(yè)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、儀器儀表、微型汽車(chē)和電動(dòng)自行車(chē)等設(shè)備中。下面闡述幾種機(jī)電一體化設(shè)備中應(yīng)用該系統(tǒng)的優(yōu)良控制品質(zhì)。1．?dāng)?shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)組成如下圖，它的主要特點(diǎn)有：通常調(diào)速比為1:10000，能夠滿足低速加工和高速返回的要求；具有足夠的加（減）速力矩，PMSM能夠產(chǎn)生足夠大的力矩；交流伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，具有良好地動(dòng)態(tài)跟隨特性，能盡快消除負(fù)載擾動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的影響；PMSM轉(zhuǎn)子慣量小，可提高交流伺服系統(tǒng)的加（減）速性能。在低速到高速整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，運(yùn)行平滑，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。因此，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中脈動(dòng)小、噪聲也小，在停車(chē)時(shí)不產(chǎn)生爬行現(xiàn)象及高頻振動(dòng)。CNC人機(jī)對(duì)話―|CNC人機(jī)對(duì)話―|速度位也反饋融卜——位置與速度傳感器CNC?計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)咽-一-伺服驅(qū)動(dòng)囂2．工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成框圖如下圖，其特點(diǎn)有：驅(qū)動(dòng)器具有足夠的輸出力矩和功率，能夠滿足各種工程的要求；它能夠靈活、方便地接受控制器的控制指令，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、位置和速度的控制；能夠進(jìn)行頻繁地起、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)切換等重復(fù)運(yùn)行；具有良好的穩(wěn)定性，并能對(duì)控制指令實(shí)行快速響應(yīng)；運(yùn)動(dòng)部件的慣量應(yīng)盡可能小些；要求整體裝置體積小、重量輕。PMSM人機(jī)接1」速度位置反饋裝慨PMSM人機(jī)接1」速度位置反饋裝慨*■被控對(duì)象*控制器一?驅(qū)動(dòng)器3．新型電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)齒輪傳動(dòng)電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如下圖。本系統(tǒng)采用PMSM，體積小、重量輕、高效節(jié)能，且具有多極結(jié)構(gòu)、低速大轉(zhuǎn)矩,

可方便地實(shí)現(xiàn)大范圍平滑無(wú)級(jí)調(diào)速。可省去齒輪減速器，通過(guò)微型化的牽引機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)轎廂。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)可靠、平穩(wěn)和精確地平層的安全運(yùn)行，使人們乘坐舒適、方便快捷。典型產(chǎn)品的拖動(dòng)數(shù)據(jù)如下：FMS対功率11.7k咼27.2A157r/mLn670Ned2P24電梯載議1000kg:電稀速度1.6m/s傳感蠱（光屯編碼器分辨率）40964．雷達(dá)天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)該系統(tǒng)應(yīng)用在軍事、航天、衛(wèi)星和氣象等部門(mén)，它要求能精確地跟蹤目標(biāo)設(shè)定的方位角和俯仰角，并且具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力。如用在警戒入侵天空的警戒雷達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)彈發(fā)射引導(dǎo)頭的雷達(dá)系統(tǒng)等要求PMSMH標(biāo)動(dòng)PMSM測(cè)速俯仰方位制刪￡置校止1—速度內(nèi)囲裁fPMSMH標(biāo)動(dòng)PMSM測(cè)速俯仰方位制刪￡置校止1—速度內(nèi)囲裁f及功扇放大-?速度內(nèi)側(cè)裁f於功事放人方位位置校正準(zhǔn)確度、精確度都十分高的場(chǎng)合，其系統(tǒng)原理框圖如上圖。三、現(xiàn)代伺服技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)目前，基于稀土永磁體的交流永磁伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能提供最高水平的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和扭矩密度。所以拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是用交流伺服驅(qū)動(dòng)取替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流、液壓和步進(jìn)調(diào)速驅(qū)動(dòng)，以便使系統(tǒng)性能達(dá)到一個(gè)全新的水平，包括更短的周期、更高的生產(chǎn)率、更好的可靠性和更長(zhǎng)的壽命。近10年來(lái)，永磁同步動(dòng)機(jī)性能快速提高，與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和普通同步電動(dòng)機(jī)相比，其控制簡(jiǎn)單、良好的低速運(yùn)行性能及較高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)使得永磁無(wú)刷同步電動(dòng)機(jī)逐漸成為交流伺服系統(tǒng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服領(lǐng)域。在很多方面已經(jīng)取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作電機(jī)材料的性能，改進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)，提高逆變器和檢測(cè)元件性能、精度等研究方向和努力。“軟形式”上存在從控制策略的角度著手提高伺服系統(tǒng)性能的研究和探索。如采用“卡爾曼濾波法”估計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置的“無(wú)速度傳感器化”；采用高性能的永磁材料和加工技術(shù)改進(jìn)PMSM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和性能，以通過(guò)消除/削弱因齒槽轉(zhuǎn)矩所造成的PMSM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響；采用基于現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的具有將強(qiáng)魯棒性的滑?？刂撇呗砸蕴岣呦到y(tǒng)對(duì)參數(shù)攝動(dòng)的自適應(yīng)能力；在傳統(tǒng)PID控制基礎(chǔ)上進(jìn)入非線性和自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法以提高系統(tǒng)對(duì)非線性負(fù)載類(lèi)的調(diào)節(jié)和自適應(yīng)能力；基于智能控制的電機(jī)參數(shù)和模型識(shí)別，以及負(fù)載特性識(shí)別。對(duì)于發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于在一定條件下，作為“硬形式”存在的伺服電機(jī)、逆變器以相應(yīng)反饋檢測(cè)裝置等性能的提高受到許多客觀因數(shù)的制約；而以“軟形式”存在的控制策略具有較大的柔性，近年來(lái)隨著控制理論新的發(fā)展，尤其智能控制的興起和不斷成熟，加之計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得基于智能控制的先進(jìn)控制策略和基于傳統(tǒng)控制理論的傳統(tǒng)控制策略的“集成”得以實(shí)現(xiàn)，并為其實(shí)際應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。伺服電機(jī)自身是具有一定的非線性、強(qiáng)耦合性以