馮 泉 高 麒

摘要: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。拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是用交流伺服驅(qū)動(dòng)取代傳統(tǒng)的液壓、直流、步進(jìn)和AC變頻調(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。

關(guān)鍵詞:伺服系統(tǒng);機(jī)電設(shè)備

1 伺服系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程

伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過(guò)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)和交流(AC)伺服系統(tǒng)。20世紀(jì)50年代,無(wú)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,20世紀(jì)70年代則是直流伺服電機(jī)的應(yīng)用最廣泛的時(shí)代。但直流伺服電機(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(guò)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。

交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型來(lái)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。

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。

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(guò)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(lái)的各種缺點(diǎn),特別是交流伺服電機(jī)的過(guò)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。

2 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和廠級(jí)監(jiān)控工作站等一應(yīng)俱全。

2.1 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、矯頑力和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(wàn)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～750W,中容量型的功率范圍為300W～15KW,大容量型的功率范圍為22KW～55KW。伺服電機(jī)的供電電壓范圍從100V～400V(單三相)。

2.2 伺服控制單元

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,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

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(guò)硬件來(lái)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(guò)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,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(lái)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,是電機(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)鎖定功能,使伺服系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間縮短,操作更加簡(jiǎn)化。

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(kāi)放性設(shè)計(jì)。用戶可以通過(guò)修改內(nèi)部參數(shù),選擇控制算法,或者使用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程,更加靈活的使用伺服產(chǎn)品。

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(méi)有反饋采樣信號(hào),即半閉環(huán)的控制方式。目前的新產(chǎn)品則采用全閉環(huán)的控制方式,使機(jī)械加工誤差、齒輪間隙、結(jié)構(gòu)受力彈性變形等誤差所造成的影響在伺服控制器中通過(guò)計(jì)算完成修正。

2.3 上位控制

隨著工業(yè)機(jī)械化設(shè)備對(duì)高速化、高精度化和小型化以及多品種小批量化、高可靠性、免維護(hù)性能要求的提高,上位機(jī)控制群得以廣泛應(yīng)用。從上層的可編程控制器(PLC)、運(yùn)動(dòng)控制器、機(jī)床CNC控制器,可一直連到底層的通用輸入/輸出(I/O)控制單元和視覺(jué)傳感系統(tǒng)。編程語(yǔ)言有梯形圖、NC語(yǔ)言、SFC語(yǔ)言、運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言等,均可按照用戶要求靈活配置。

3 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

從前面的討論可以看出,數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣,用戶對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的要求也越來(lái)越高?？偟膩?lái)說(shuō),伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下幾個(gè)方面:

3.1 交流化

伺服技術(shù)將繼續(xù)迅速地由DC伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向AC伺服系統(tǒng)。從目前國(guó)際市場(chǎng)的情況看,幾乎所有的新產(chǎn)品都是AC伺服系統(tǒng)。在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家,AC伺服電機(jī)的市場(chǎng)占有率已超過(guò)80%,在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)AC伺服電機(jī)的廠家也越來(lái)越多,正在逐步超過(guò)生產(chǎn)DC伺服電機(jī)的廠家?？梢灶A(yù)見(jiàn),不久的將來(lái),除了在某些微型電機(jī)領(lǐng)域之外,AC伺服電機(jī)將完全取代DC伺服電機(jī)。

3.2 全數(shù)字化

采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)(DSP)的伺服控制單元將全面取代模擬電子器件為主的伺服控制單元,從而實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn),將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制,從而使在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)方法成為可能。

3.3 高度集成化

新的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個(gè)模塊的做法,代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。同一個(gè)控制單元,只要通過(guò)軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù),就可以改變其性能,既可以使用電機(jī)本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),又可以通過(guò)接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

3.4 智能化

智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢(shì),伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種高級(jí)的工業(yè)控制裝置當(dāng)然也不例外。最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設(shè)計(jì)為智能型產(chǎn)品,他們的智能化特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

具有參數(shù)記憶功能。系統(tǒng)的所有參數(shù)都可以通過(guò)人機(jī)對(duì)話的方式由軟件來(lái)設(shè)置,保存在伺服單元內(nèi)部,通過(guò)通信接口,這些參數(shù)甚至可以在運(yùn)行途中由上位計(jì)算機(jī)加以修改;

具有故障自診斷與分析功能。無(wú)論什么時(shí)候,只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障,就會(huì)將故障的類型以及可能引起故障的原因通過(guò)用戶面板清楚地顯示出來(lái),這就簡(jiǎn)化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性;

具有參數(shù)自整定的功能。眾所周知,閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要環(huán)節(jié),帶有自整定功能的伺服單元可以通過(guò)幾次試運(yùn)行自動(dòng)將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來(lái),并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)化。

綜上所述,伺服系統(tǒng)將向兩個(gè)方向發(fā)展:一個(gè)是滿足一般工業(yè)應(yīng)用的要求,對(duì)性能指標(biāo)要求不是很高的應(yīng)用場(chǎng)合,追求低成本、少維護(hù)、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品,如變頻電機(jī)、變頻器等;另一個(gè)就是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導(dǎo)產(chǎn)品——伺服電機(jī)、伺服控制器,追求高性能、高速度、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的驅(qū)動(dòng)控制,以滿足用戶較高的要求。