伺服控制系統優勢及發展趨勢解析

　　隨著現代科學技術的快速發展，尤其是微電子、電力半導體、計算機和電機制造技術等所取得技術進步，使得位置伺服在許多高科技領域得到了非常廣泛的應用，并扮演了重要的支柱技術角色的自動化控制系統，如機器人、激光加工、數控機床、大規模集成電路制造、辦公自動化設備、雷達和各種軍用武器隨動系統、以及柔性制造系統(fms-flexiblemanufacturingsystem)等。

　　伺服控制系統作為現代工業生產設備的控制系統之一，是工業自動化不可缺少的基礎技術。位置伺服控制系統，一般是以足夠的位置控制精度(定位精度)、位置跟蹤精度(位置跟蹤誤差)和足夠快的跟蹤速度作為它的主要控制目標。系統運行時要求能以一定的精度隨時跟蹤指令的變化，因而系統中伺服電動機的運行速度常常是不斷變化的。故伺服系統在跟蹤性能方面的要求一般要比普通調速系統高且嚴格得多。由于直流電動機存在電刷和換向器的限制，以及直流伺服系統生產、維護成本高。伴隨著新的控制器件和電機控制方法的出現，伺服系統的已經廣泛地替代了直流伺服系統。

　　1、伺服系統分類

　　伺服系統根據處理信號的方式不同，大致可以分為數字模擬混合式伺服、模擬式伺服和全數字式伺服;若根據所使用的伺服電動機的種類不同，又可分為三種：一種是用永磁同步伺服電動機構成的伺服系統，包括方波永磁同步電動機(無刷直流機)伺服系統和正弦波永磁同步電動機伺服系統;另一種是用鼠籠型異步電動機構成的伺服系統。二者的不同之處在于永磁同步電動機伺服系統中需要采用磁極位置傳感器而感應電動機伺服系統中含有滑差頻率計算部分。若采用微處理器軟件實現伺服控制，可以使永磁同步伺服電動機和鼠籠型異步伺服電動機使用同一套伺服放大器。

　　2、伺服電機的優勢

　　步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式伺服系統的出現，伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向信號)，但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。主要存在以下幾點區別。

　　(1)控制精度不同

　　伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以松下全數字式伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。

　　(2)矩頻特性不同

　　步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速(一般為2000RPM或3000RPM)以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。

　　(3)低頻特性不同

　　步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。

　　伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能(FFT)，可檢測出機械的共振點，便于系統調整。

　　(4)運行性能不同

　　步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。

　　(5)速度響應性能不同

　　步進電機從靜止加速到工作轉速(一般為每分鐘幾百轉)需要200～400毫秒。伺服系統的加速性能較好，以松下MSMA400W伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。

　　3、伺服系統與數字化控制的優點

　　目前，伺服系統的數字控制大都是采用硬件與軟件相結合的控制方式，其中軟件控制方式一般是利用微機實現的。這是因為基于微機實現的數字伺服控制器與模擬伺服控制器相比，具有下列優點：

　　(1)可顯著改善控制的可靠性。集成電路和大規模集成電路的平均無故障時(mtbf)大大長于分立元件電子電路。

　　(2)能明顯地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微處理機不斷涌現，硬件費用會變得很便宜。體積小、重量輕、耗能少是它們的共同優點。

　　(3)數字電路溫度漂移小，也不存在參數的影響，穩定性好。

　　(4)采用微處理機的數字控制，使信息的雙向傳遞能力大大增強，容易和上位系統機聯運，可隨時改變控制參數。

　　(5)硬件電路易標準化。在電路集成過程中采用了一些屏蔽措施，可以避免電力電子電路中過大的瞬態電流、電壓引起的電磁干擾問題，因此可靠性比較高。

　　(6)可以設計適合于眾多電力電子系統的統一硬件電路，其中軟件可以模塊化設計，拼裝構成適用于各種應用對象的控制算法;以滿足不同的用途。軟件模塊可以方便地增加、更改、刪減，或者當實際系統變化時徹底更新。

　　(7)隨著微機芯片運算速度和存貯器容量的不斷提高，性能優異但算法復雜的控制策略有了實現的基礎。

　　(8)提高了信息存貯、監控、診斷以及分級控制的能力,使伺服系統更趨于智能化。

　　4、伺服系統的發展現狀和展望

　　近十年來，同步動機性能快速提高，與感應電動機和普通同步電動機相比，其控制簡單、良好的低速運行性能及較高的性價比等優點使得同步電動機逐漸成為伺服系統執行電動機的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服領域。而交流異步伺服系統仍主要集中在性能要求不高的、大功率伺服領域。

　　伺服電機自身是具有一定的非線性、強耦合性及時變性的“系統”，同時伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統運行時受到不同程度的干擾，因此按常規控制策略很難滿足高性能伺服系統的控制要求。為此，如何結合控制理論新的發展，引進一些先進的“復合型控制策略”以改進“控制器”性能是當前發展高性能伺服系統的一個主要“突破口”。

　　自20世紀80年代后期以來，隨著現代工業的快速發展，對作為工業設備的重要驅動源之一的伺服系統提出了越來越高的要求，研究和發展高性能伺服系統成為國內外同仁的共識。有些努力已經取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作電機材料的性能，改進電機結構，提高逆變器和檢測元件性能、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性能的研究和探索。如采用“卡爾曼濾波法”估計轉子轉速和位置的“無速度傳感器化”;采用高性能的永磁材料和加工技術改進PMSM轉子結構和性能，以通過消除/削弱因齒槽轉矩所造成的PMSM轉矩脈動對系統性能的影響;采用基于現代控制理論為基礎的具有將強魯棒性的滑模控制策略以提高系統對參數攝動的自適應能力;在傳統PID控制基礎上進入非線性和自適應設計方法以提高系統對非線性負載類的調節和自適應能力;基于智能控制的電機參數和模型識別，以及負載特性識別。

　　對于發展高性能伺服系統來說，由于在一定條件下，作為“硬形式”存在的伺服電機、逆變器以相應反饋檢測裝置等性能的提高受到許多客觀因數的制約;而以“軟形式”存在的控制策略具有較大的柔性，近年來隨著控制理論新的發展，尤其智能控制的興起和不斷成熟，加之計算機技術、微電子技術的迅猛發展，使得基于智能控制的先進控制策略和基于傳統控制理論的傳統控制策略的“集成”得以實現，并為其實際應用奠定了物質基礎。