摘 要 伺服系統(tǒng)是機(jī)電產(chǎn)品中的重要環(huán)節(jié)，其控制性能反映了機(jī)電設(shè)備的控制質(zhì)量。本文介紹了伺服技術(shù)的發(fā)展過程、技術(shù)特點(diǎn)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，并具體闡述了伺服系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞 伺服系統(tǒng) 控制 電機(jī) 網(wǎng)絡(luò) Abstract:Servosystem is the important link in the mechanical-electrical products，its control property reflects the control quality of the mechanical-electrical device.The developing process ，technical features and the development of correlation techniques of servo technique are introduced in this paper，and the application，developing trends of servosystem are also expounded in detail. Key words:Servosystem Control Motor Network 伺服系統(tǒng)在機(jī)電設(shè)備中具有重要的地位，高性能的伺服系統(tǒng)可以提供靈活、方便、準(zhǔn)確、快速的驅(qū)動(dòng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和整個(gè)工業(yè)的不斷發(fā)展，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也取得了極大的進(jìn)步，伺服系統(tǒng)已進(jìn)入全數(shù)字化和交流化的時(shí)代。 1 伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程 1.1 直流伺服技術(shù) 　　伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)類型分為直流（DC）伺服系統(tǒng)和交流（AC）伺服系統(tǒng)。50年代，無刷電機(jī)和直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，并在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和機(jī)械設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。70年代則是直流伺服電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛的時(shí)代。 1.2 交流伺服技術(shù) 　　從70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機(jī)永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價(jià)格比的日益提高，交流伺服技術(shù)—交流伺服電機(jī)和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。 　　交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型來分，主要有兩大類:永磁同步（ＳＭ型）電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步（ＩＭ型）電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)。其中，永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能，并可實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動(dòng)的要求。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價(jià)格的降低，其在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越廣泛，目前已成為交流伺服系統(tǒng)的主流。感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)由于感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，制造容易，價(jià)格低廉，因而具有很好的發(fā)展前景，代表了將來伺服技術(shù)的方向。但由于該系統(tǒng)采用矢量變換控制，相對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)來說控制比較復(fù)雜，而且電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)還存在著效率低，發(fā)熱嚴(yán)重等有待克服的技術(shù)問題，目前并未得到普遍應(yīng)用。 　　系統(tǒng)的執(zhí)行元件一般為普通三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，功率變換器件通常采用智能功率模塊IPM。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，可采用位置和速度閉環(huán)控制。三相交流電流的跟隨控制能有效地提高逆變器的電流響應(yīng)速度，并且能限制暫態(tài)電流，從而有利于IPM的安全工作。速度環(huán)和位置環(huán)可使用單片機(jī)控制，以使控制策略獲得更高的控制性能。電流調(diào)節(jié)器若為比例形式，三個(gè)交流電流環(huán)都用足夠大的比例調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，其比例系數(shù)應(yīng)該在保證系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩的前提下盡量選大些，使被控異步電動(dòng)機(jī)三相交流電流的幅值、相位和頻率緊隨給定值快速變化，從而實(shí)現(xiàn)電壓型逆變器的快速電流控制。電流用比例調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電流跟隨性能好以及限制電動(dòng)機(jī)起制動(dòng)電流快速可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。 1.3 交直流伺服技術(shù)的比較 　　直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)受電機(jī)本身缺陷的影響，其發(fā)展受到了限制。直流伺服電機(jī)存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)，在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機(jī)械設(shè)備的精度，難以應(yīng)用到高速及大容量的場(chǎng)合，機(jī)械換向器則成為直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。 　　交流伺服電機(jī)克服了直流伺服電機(jī)存在的電刷、換向器等機(jī)械部件所帶來的各種缺點(diǎn)，特別是交流伺服電機(jī)的過負(fù)荷特性和低慣性更體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。所以交流伺服系統(tǒng)在工廠自動(dòng)化（FA）等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 從伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品當(dāng)前的應(yīng)用來看，直流伺服產(chǎn)品正逐漸減少，交流伺服產(chǎn)品則日漸增加，市場(chǎng)占有率逐步擴(kuò)大。在實(shí)際應(yīng)用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服產(chǎn)品已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。 2 伺服系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 　　伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展與磁性材料技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、通信技術(shù)、組裝技術(shù)、生產(chǎn)工藝水平等基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。 　　磁性材料中，特別是永久磁性材料性能的提高是伺服電機(jī)高性能化、小型化所不可缺少的重要條件。以日本安川公司伺服電機(jī)產(chǎn)品的磁性材料為例，其磁性材料的磁能積由原來的10MGOe提高到30MGOe，從70年代到90年代的這段時(shí)間提高了3倍。 　　半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)入了全數(shù)字化時(shí)期，伺服控制器的小型化指標(biāo)取得了很大的進(jìn)步。LSI（大規(guī)模集成電路）的精細(xì)加工技術(shù)以及開關(guān)特性的改善使高速開關(guān)器件的應(yīng)用成為主流。IGBT（絕緣柵雙極型場(chǎng)效應(yīng)管）已經(jīng)發(fā)展到了第四代產(chǎn)品，其性能則提高了5倍以上。微處理器（CPU）性能的大幅度增強(qiáng)也使伺服控制器的復(fù)雜運(yùn)算速度和多功能處理能力得以提高，同時(shí)也為產(chǎn)品的小型化創(chuàng)造了條件。 　　交流伺服控制器硬件環(huán)境的改善以及交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和制造材料的改進(jìn)為更加快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制機(jī)械設(shè)備創(chuàng)造了很好的條件。 　　在全數(shù)字控制方式下，伺服控制器實(shí)現(xiàn)了伺服控制的軟件化?，F(xiàn)在很多新型的伺服控制器都采用了多種新算法。目前比較常用的算法主要有PID/IPD（比例微分積分/）控制切換、前饋控制、速度實(shí)時(shí)監(jiān)控、共振抑制控制、可變?cè)鲆婵刂?、振?dòng) 抑制控制、模型規(guī)范適應(yīng)控制、反復(fù)控制、預(yù)測(cè)控制、模型跟蹤控制、在線自動(dòng)修正控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、H∞控制等。通過采用這些功能算法，可以使伺服控制器的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可操作性都達(dá)到了很高的水平。 3 伺服系統(tǒng)的應(yīng)用 隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，用戶對(duì)所需產(chǎn)品提出了更高的技術(shù)要求和更合理的性能價(jià)格比。伺服系統(tǒng)以其出色的性能滿足了各種產(chǎn)品制造廠家近乎苛刻的要求，從而能夠?qū)Ξa(chǎn)品的加工過程、加工工藝和綜合性能進(jìn)行改造。在機(jī)電一體化設(shè)備上伺服系統(tǒng)的使用更加廣泛，幾乎工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域都成為伺服系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象。表1列出了伺服系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。 表1 伺服系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 4 伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品概況 由于伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛，市場(chǎng)上的相關(guān)產(chǎn)品種類很多，從普通電機(jī)、變頻電機(jī)、伺服電機(jī)、變頻器、伺服控制器到運(yùn)動(dòng)控制器、單軸控制器、多軸控制器、可編程控制器、上位控制單元乃至車間級(jí)和廠級(jí)監(jiān)控工作站等一應(yīng)俱全。對(duì)于用戶而言可以很方便地根據(jù)實(shí)際需要靈活選用。下面以安川公司的伺服產(chǎn)品為例做一介紹。 4.1 伺服電機(jī) 　　隨著永磁材料制造工藝的不斷完善，新一代的伺服電機(jī)大都采用了最新的Nd2Fe14B1（銣鐵硼）材料，該材料的剩余磁密、矯頑力、最大磁能積均好于其他永磁材料，再加上合理的磁極、磁路及電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大大地提高了電機(jī)的性能，同時(shí)又縮小了電機(jī)的外形尺寸。新一代的伺服電機(jī)大都采用了新型的位置編碼器，這種位置編碼器的信號(hào)線數(shù)量從9根減少到5根，并支持增量型和絕對(duì)值型兩種類型，通信速率達(dá)4M/s，通信周期為62.5μs，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為12位，編碼器分辨率為20bit/rev，即每轉(zhuǎn)生成100萬個(gè)脈沖，最高轉(zhuǎn)速達(dá)6000r/min，編碼器電源電流僅為16μA。 伺服電機(jī)按照容量可以分為超小型（MINI型）、小容量型、中容量型和大容量型。超小容量型的功率范圍為10W到20W，小容量型的功率范圍為30W到750W，中容量型的功率范圍為300W到15KW，大容量型的功率范圍為22KW到55KW。伺服電機(jī)的供電電壓范圍從100V到400V（單相/三相）。 4.2 伺服控制單元 　　傳統(tǒng)的模擬控制雖然具有連續(xù)性好、響應(yīng)速度快及成本低的優(yōu)點(diǎn)，但也有難以克服的缺點(diǎn)，如系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy，容易受到環(huán)境溫度變化的影響而產(chǎn)生漂移，難以實(shí)現(xiàn)柔性化設(shè)計(jì)，缺乏實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計(jì)算的能力，無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下的控制算法等。所以現(xiàn)代伺服控制器均采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，伺服控制系統(tǒng)的主要理論也采用了現(xiàn)代的矢量控制思想，它實(shí)現(xiàn)了電流向量的幅值控制和相位控制。 為了提高產(chǎn)品的性能，新一代的伺服控制器采用了多種新技術(shù)、新工藝。如安川公司的伺服控制器就采用了許多新的技術(shù)手段來提高其產(chǎn)品的性能，其中主要有以下幾個(gè)方面。 　　（1）在電流環(huán)路中采用了d—q軸變換電流單元，在新的控制方式中，主CPU的運(yùn)算量得以減少，通過硬件來進(jìn)行電流環(huán)控制，即將控制算法固化在LSI專用硬件環(huán)路中。通過采用高速的d—q軸變換電流單元，使電流環(huán)的轉(zhuǎn)矩控制精度有了進(jìn)一步的提高。使用d—q軸變換電流控制，實(shí)現(xiàn)了在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)均能保持良好的性能。 　?。?）采用了脈沖編碼器倍增功能，新的控制算法使位置控制的整定時(shí)間縮短為原來的三分之一。 　?。?）速度控制環(huán)采用速度實(shí)時(shí)檢測(cè)控制算法，使電機(jī)的低速性能得到進(jìn)一步提高，速度波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)降到最低。采用在線自動(dòng)設(shè)定功能，使伺服系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間縮短，操作更加簡(jiǎn)單。 　?。?）為了使用戶更加靈活地使用伺服系統(tǒng)，一些產(chǎn)品上增加了可擴(kuò)展性以及柔性化、開放性設(shè)計(jì)。用戶可以通過修改內(nèi)部參數(shù)，選擇控制算法，或者使用高級(jí)語言進(jìn)行編程，更加靈活的使用伺服產(chǎn)品。 　?。?）采用主回路與控制回路進(jìn)行電氣隔離的結(jié)構(gòu)，使操作及故障檢測(cè)更加方便安全。供電電源電壓從100V擴(kuò)展到400V（單相/三相）。 　　（6）伺服控制一般均采用從電機(jī)軸端的位置編碼器采集位置信號(hào)進(jìn)行反饋，在受控執(zhí)行機(jī)械部分沒有反饋采樣信