现代伺服系统综述与认识

现代伺服系统综述与认识VA\K一、总述随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术和微电子技术的快速发展以及电动机制造工艺水平的逐步提高，电气传动技术将逐渐取代液压传动、机械传动、气压传动技术而广泛应用于工业自动化、汽车、航空、导航系统、雷达天线、精密数控机床、加工中心、机器人等领域。电气伺服系统是电气传动技术的一种体现形式，主要由伺服电动机和控制器组成，典型的位置伺服系统是由位置环、速度环和电流环组成的，以步进电动机驱动的液态伺服电动机或以功率步进电动机直接驱动为中心，伺服系统的控制为开环系统。第二个发展阶段是2O世纪六七十年代，直流伺服电动机诞生并全盛发展，由于直流电动机具有优良的调速性能，被很多高性能驱动装置采用，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。第二三个发展阶段是20世纪80年代至今，以机电一体化时代为背景。与其相适应的伺服驱动装置也经历了模拟式、数模混合式和全数字化式阶段。其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，且调试、使用简单，因而倍受青睐。交流伺服系统由于控制原理的先进性，成本低、免维护，并且控制特性正在全面超越直流伺服系统，势必将在绝大多数应用领域代替传统的直流伺服系统。可以预见，交流伺服系统的研究将继续成为电气传动领域的一个研究热点，并将带动相关产业的迅猛发展，同时由于新技术、新工艺和控制策略在伺服系统中的不断更新，将会在控制领域有一个全新的革命，值得我们一起去领略。二、现代交流伺服技术的应用随着现代化生产规模的不断扩大，各行各业对电气伺服系统的需求日益增加，并对其性能提出了更高的需求。例如：要求伺服系统有良好的位置控制能力及较快的动态响应能力、较高的加、减速能力及较宽的调速范围，并能够频繁地起动、制动和正反转切换，使其在全速度范围内能够平稳的运行。为此，目前的伺服驱动系统已由50~60年代的直流伺服系统逐渐转变成交流伺服驱动系统，并且精密的交流伺服系统已由开环控制变成闭环控制。且随着大功率晶闸管的出现，以及计算机控制技术和自动化技术的不断发展，国外大多数采用全数字交流伺服系统。由于交流伺服系统有着优越的性能，所以被广泛应用于机械制造装备、工业机器人、计算机外围设备、仪器仪表、微型汽车和电动自行车等设备中。下面阐述几种机电一体化设备中应用该系统的优良控制品质。1．数控机床数控机床系统组成如下图，它的主要特点有：通常调速比为1:10000，能够满足低速加工和高速返回的要求；具有足够的加（减）速力矩，PMSM能够产生足够大的力矩；交流伺服系统动态响应快，具有良好地动态跟随特性，能尽快消除负载扰动对电动机速度的影响；PMSM转子惯量小，可提高交流伺服系统的加（减）速性能。在低速到高速整个调速范围内，运行平滑，电动机转矩脉动小。因此，在系统运行过程中脉动小、噪声也小，在停车时不产生爬行现象及高频振动。CNC人机对话―|CNC人机对话―|速度位也反馈融卜——位置与速度传感器CNC・计算机数字控制系统咽-一-伺服驱动嚣2．工业机器人工业机器人系统组成框图如下图，其特点有：驱动器具有足够的输出力矩和功率，能够满足各种工程的要求；它能够灵活、方便地接受控制器的控制指令，实现转矩、位置和速度的控制；能够进行频繁地起、制动和反转切换等重复运行；具有良好的稳定性，并能对控制指令实行快速响应；运动部件的惯量应尽可能小些；要求整体装置体积小、重量轻。PMSM人机接1」速度位置反馈装慨PMSM人机接1」速度位置反馈装慨*■被控对象*控制器一►驱动器3．新型电梯驱动系统无齿轮传动电梯驱动系统的总体结构框图如下图。本系统采用PMSM，体积小、重量轻、高效节能，且具有多极结构、低速大转矩,

可方便地实现大范围平滑无级调速。可省去齿轮减速器，通过微型化的牵引机来实现直接驱动轿厢。该驱动系统能实现可靠、平稳和精确地平层的安全运行，使人们乘坐舒适、方便快捷。典型产品的拖动数据如下：FMS対功率11.7k咼27.2A157r/mLn670Ned2P24电梯载議1000kg:电稀速度1.6m/s传感蛊（光屯编码器分辨率）40964．雷达天线驱动系统该系统应用在军事、航天、卫星和气象等部门，它要求能精确地跟踪目标设定的方位角和俯仰角，并且具有较强的抗扰动能力。如用在警戒入侵天空的警戒雷达系统、导弹发射引导头的雷达系统等要求PMSMH标动PMSM测速俯仰方位制刪£置校止1—速度内囲裁fPMSMH标动PMSM测速俯仰方位制刪£置校止1—速度内囲裁f及功扇放大-►速度內側裁f於功事放人方位位置校正准确度、精确度都十分高的场合，其系统原理框图如上图。三、现代伺服技术的发展趋势目前，基于稀土永磁体的交流永磁伺服驱动系统，能提供最高水平的动态响应和扭矩密度。所以拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取替传统的直流、液压和步进调速驱动，以便使系统性能达到一个全新的水平，包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。近10年来，永磁同步动机性能快速提高，与感应电动机和普通同步电动机相比，其控制简单、良好的低速运行性能及较高的性价比等优点使得永磁无刷同步电动机逐渐成为交流伺服系统执行电动机的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服领域。在很多方面已经取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作电机材料的性能，改进电机结构，提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向和努力。“软形式”上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。如采用“卡尔曼滤波法”估计转子转速和位置的“无速度传感器化”；采用高性能的永磁材料和加工技术改进PMSM转子结构和性能，以通过消除/削弱因齿槽转矩所造成的PMSM转矩脉动对系统性能的影响；采用基于现代控制理论为基础的具有将强鲁棒性的滑模控制策略以提高系统对参数摄动的自适应能力；在传统PID控制基础上进入非线性和自适应设计方法以提高系统对非线性负载类的调节和自适应能力；基于智能控制的电机参数和模型识别，以及负载特性识别。对于发展高性能交流伺服系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形式”存在的伺服电机、逆变器以相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因数的制约；而以“软形式”存在的控制策略具有较大的柔性，近年来随着控制理论新的发展，尤其智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术的迅猛发展，使得基于智能控制的先进控制策略和基于传统控制理论的传统控制策略的“集成”得以实现，并为其实际应用奠定了物质基础。伺服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性以