段云海 湖南師大附中梅溪湖中學

探析伺服控制的結構類型及發(fā)展趨勢

段云海 湖南師大附中梅溪湖中學

隨著工業(yè)領域技術的不斷發(fā)展，以及全球各國之間的交流更加頻繁，這加快了我國進入工業(yè)時代的腳步，工業(yè)智能產品由原來的大量進口，到最近幾年國內出現(xiàn)很多自主研發(fā)的品牌產品，當然，產品還在不斷的完善研究當中。伺服產品在工業(yè)智能產品中有著非常重要的位置，很多工業(yè)設備中運用非常頻繁。本文從工業(yè)伺服系統(tǒng)的基本結構類型以及控制方式到目前發(fā)展現(xiàn)狀、未來的發(fā)展趨勢作出了總結。

伺服產品 目前現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢

1 伺服控制基本概念

(1)伺服控制是實現(xiàn)電信號到機械運動的轉換裝置或部件，以位移、速度、加速度等參數(shù)為控制對象，在控制命令的指揮下，控制執(zhí)行元件工作，使機械運動部件按照控制命令的要求進行運動，所以伺服控制是一種以機械參數(shù)作為被控量的自動控制系統(tǒng)。

(2)伺服控制也稱隨動控制，是一種能夠及時跟蹤輸入給定信號并產生動作，從而獲得精確的位置、速度等輸出的自動控制系統(tǒng)。大多數(shù)伺服系統(tǒng)具有檢測反饋回路，因而伺服控制是一種反饋控制系統(tǒng)。

2 伺服控制的基本類型

按控制原理的不同分為開環(huán)、全閉環(huán)和半閉環(huán)這三種基本類型伺服系統(tǒng)。

2.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)

若伺服系統(tǒng)沒有檢測反饋信號的裝置則稱為開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)結構簡單，但精度不是很高，且速度也有一定的限制。雖然開環(huán)控制在精度方面有不足，但其結構簡單、成本低、調整和維修都比較方便，其工作穩(wěn)定、可靠，因此在一些精度和速度要求不很高的場合，如線切割機、辦公自動化設備中獲得廣泛應用。

2.2 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中將檢查裝置件直接安裝在移動部件上，直接測量移動部件的實際位移來進行位置反饋的系統(tǒng)稱為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)是實現(xiàn)高精度位置控制的一種理想的控制方案，但實現(xiàn)起來難度很大，存在穩(wěn)定性問題：由于全部的機械傳動鏈都被包含在位置閉環(huán)之中，機械傳動鏈的慣量、間隙、摩擦、剛性等非線性因素都會給伺服系統(tǒng)造成影響，從而使系統(tǒng)的控制和調試變得異常復雜，制造成本亦會急速攀升。因此，全閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要一般用于高精密和大型的機電一體化設備。

2.3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中將檢查裝置件安裝在伺服電機軸或者傳動裝置末端，間接測量移動部件位移來進行位置反饋的系統(tǒng)稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，將編碼器和伺服電機作為一個整體，編碼器完成角位移檢查和速度檢測，而用戶無需考慮位置檢測裝置的安裝問題，這種系統(tǒng)調試較容易、穩(wěn)定性好，具有較高的性價比，被廣泛應用于各種工業(yè)設備中。

3 交流AC伺服控制系統(tǒng)在我國的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

我國從1970年代開始跟蹤開發(fā)交流伺服技術，主要研究力量集中在高等院校和科研單位，以軍工、宇航衛(wèi)星為主要應用方向，不考慮成本因素。主要研究機構是北京機床所、西安微電機研究所、中科院沈陽自動化所等。80年代之后開始進入工業(yè)領域，直到2000年，國產伺服停留在小批量、高價格、應用面狹窄的狀態(tài)，技術水平和可靠性難以滿足工業(yè)需要。2000年之后，隨著中國變成世界工廠、制造業(yè)的快速發(fā)展為交流伺服提供了越來越大的市場空間，國內伺服迅速發(fā)展。

由于微電子技術、電力電子技術、傳感器技術、永磁材料與控制理論的發(fā)展，目前已進入伺服技術的交流化時代，相繼開發(fā)出各種類型的AC伺服系統(tǒng)，并廣泛用于運動控制，在相當廣泛的范圍內，取代了步進電動機與直流伺服電動機驅動系統(tǒng)，時至當前，已成為伺服系統(tǒng)的主流。

4 伺服控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢

綜合AC伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程與現(xiàn)狀，可以看出AC伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為：

①伺服技術繼續(xù)迅速地由直流伺服系統(tǒng)轉向交流化。可以預見，在不遠的將來，AC伺服系統(tǒng)將完全取代直流伺服系統(tǒng)。

②AC伺服系統(tǒng)向兩大方向發(fā)展：一個方向是簡易、低成本AC伺服系統(tǒng)將迅速發(fā)展，應用領域進一步擴大。與此相反，另一個方向是向更高性能的全數(shù)字化、智能化軟件伺服的方向發(fā)展，這是AC伺服系統(tǒng)的發(fā)展主流，代表AC伺服系統(tǒng)發(fā)展的水平和主導方向。

③AC伺服系統(tǒng)中所用的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能功率集成電路將進一步得到普遍應用。

④AC伺服系統(tǒng)中所用的位置與速度傳感器由單一功能向多功能一體化方向發(fā)展。傳感器的電子信號處理部分將以微處理器為核心構成獨立的微機系統(tǒng)，成為高性能AC伺服系統(tǒng)的一個關鍵組成部分；另一方面與簡易低成本AC伺服系統(tǒng)的發(fā)展相適應，小型低成本低分辨率傳感器也將得到更廣泛的應用。

⑤在AC伺服系統(tǒng)控制器的制造上，結構日趨小型化，采用多單元組合構成多坐標軸控制器，大板結構，可靠性進一步提高，便于維護及擴充。

[1]劉宏新.機電一體化技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015：206.

[2]郭慶鼎，王成元.交流伺服系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994：225.

段云海，姓別：男，民族：漢族，籍貫：湖南省長沙市，單位：湖南師大附中梅溪湖中學，研究方向：電子信息方面。