伺服系统的发展及展望

    吴举秀　张爱英　田秀刚

    摘要：本文主要介绍了伺服系统的三个发展阶段，包括步进电动机开环伺服系统阶段、直流伺服电动机闭环伺服系统阶段、无刷直流伺服电动机、交流伺服电动机伺服系统阶段，并分析了伺服系统的发展趋势：交流化、智能化、网络化、小型化。

    关键词：伺服；智能化；小型化

    伺服系统也叫位置随动系统，它的根本任务是实现执行机械对位置指令（给定量）的准确跟踪，当给定量随机变化时，系统能使被控制量准确无误地跟随并复现给定量，是一个位置反馈控制系统[1]，主要包括电机和驱动器两部分，广泛用于航空、航天、国防及工业自动化等自动控制领域。随着电力电子、控制理论、计算机术等技术的快速发展以及电机制造工艺水平的不断提高，伺服系统近年来获得了迅速发展。

    1伺服系统的发展阶段

    伺服系统的发展与伺服电动机的不同发展阶段相联系，由直流电机构成的伺服系统是直流伺服系统，由交流电机构成伺服系统是交流伺服系统。伺服电动机至今经历了三个主要发展阶段：

    1.1 第一个发展阶段（20世纪60年代以前）：步进电动机开环伺服系统

    伺服系统的驱动电机为步进电动机或功率步进电动机，位置控制为开环系统。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。

    步进电机存在一些缺点：在低速时易出现低频振动现象；一般不具有过载能力；步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转现象，停止时转速过高易出现过冲现象。

    1.2 第二个发展阶段（20世纪60-70年代）：直流伺服电动机闭环伺服系统

    由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。

    1.3 第三个发展阶段（80年代至今）：无刷直流伺服电动机、交流伺服电动机伺服系统

    由于伺服电机结构及其材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机，交流伺服电动机等种种新型电动机。交流伺服电机包括永磁同步电机和感应式异步电机，由永磁同步电机构成的交流伺服系统在技术上己趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。又因为微电子技术的快速发展，交流伺服系统的控制方式也迅速向微机控制方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服或智能化的软件伺服。利用PWM技术能够方便地控制输出电压的幅值、相位、频率，PWM技术己成为现代交流伺服的基础性技术。[2] 交流伺服驱动系统为闭环控制，内部构成位置环和速度环，控制性能可靠。交流伺服电机具有控制精度较高、运行性能好、较强的过载能力等特点。交流伺服系统具有共振抑制功能，并且系统内部具有频率解析机能，可检测出机械的共振点，便于系统调整。

    交流伺服驱动系统存在的主要问题是交流伺服驱动系统的低速稳定性问题，它是制约速度控制特性的主要问题，而提高速度的动态响应，降低转速波动，改善速度的控制特性是伺服驱动控制的主要目标[3]。

    2伺服系统的发展趋势

    2.1交流化

    目前国际市场上，几乎所有的新产品都是交流伺服系统，其中Kollmorgen公司的"金系列"代表了当代永磁交流伺服技术的最新水平，在国内生产交流伺服电机厂家也越来越多。

    2.2智能化

    智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品[4]，它们的智能化特点表现在以下几个方面:首先他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式用软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数可以在运行途中由上位计算机加以修改；其次它们都具有故障自诊断与分析功能，当系统出现故障，它会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界清楚显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性；有的伺服系统还具有参数自整定的功能。

    2.3 小型化

    目前，伺服系统一般将整个控制回路装在一台现场仪表里，将伺服电机，现场仪表控制器安装为一体。伺服系统一体化，使得它的安装与调试工作都得到了简化；将整个控制回路装在一台现场仪表里，又减少了因信号传输中的泄露和干扰等因素对系统的影响，提高了系统的可靠性。而且最新型的伺服控制系统己经开始使用智能控制功率模块IPM ，这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成在一个不大的模块之中。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。

    2.4网络化

    国际上以工业局域网技术为基础的工厂自动化工程技术在最近十年来得到了长足的发展，为适应这一发展趋势，交流伺服系统也应具有标准的串行通信接口（如RS-232）和专用的局域网接口，以增强其与其它控制设备间的互联能力，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台、甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。现场总线企业网作为今后控制系统的发展方向，以其所具有的开放性，网络化等优点，使它与INTRENET的结合成为可能，现在许多最新的伺服产品都具有现场总线接口。

    3结束语

    相信随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服系统必将获得更加的快速发展，智能化、网络化的交流伺服系统正成为现代伺服领域研究的热点。

    参考文献

    [1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M] 1991：151-153.

    [2]史敬灼，徐殿国，王宗培 应用于交流伺服系统的脉宽调制技术 微电机[J] 2003，36（3）：36-40

    [3]李叶松，邓忠华等 交流伺服系统速度高精度特性的研究 华中理工大学学报[J] 1994，22(4):89-93

    [4]宋宝，唐小琦，吴建昆 全数字交流伺服驱动器设计与研究机械与电子[J] 2004( 1)：39-41

    作者简介：吴举秀（1974-），女，硕士研究生，讲师，济南铁道职业技术学院，研究方向：工业过程智能检测与控制。