李學(xué)剛

摘要：本文主要對(duì)伺服電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行研究，以期能夠?yàn)榇龠M(jìn)機(jī)電技術(shù)的發(fā)展提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：機(jī)電技術(shù);伺服控制技術(shù);應(yīng)用;發(fā)展前景

1伺服控制系統(tǒng)

1.1開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試維護(hù)容易，內(nèi)部沒有運(yùn)動(dòng)反饋的控制回路，工作穩(wěn)定、成本低，沒有檢測的反饋裝置。當(dāng)運(yùn)動(dòng)有錯(cuò)誤時(shí)，電動(dòng)機(jī)也會(huì)隨著裝置發(fā)出脈沖指令進(jìn)行工作，并且還會(huì)修正錯(cuò)誤，作出信息錯(cuò)誤反饋。在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是主要驅(qū)動(dòng)部件，其步距角精度、機(jī)械的傳動(dòng)精度能夠影響開環(huán)系統(tǒng)的精度。一般情況下，一些對(duì)精度和速度要求不高的設(shè)備中，開環(huán)伺服系統(tǒng)都會(huì)用到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

1.2半閉環(huán)伺服系統(tǒng)安裝調(diào)試比較方便，主要由無刷旋轉(zhuǎn)變壓器、測量速度的發(fā)電機(jī)構(gòu)成。其中，無刷轉(zhuǎn)變壓器最主要的器件還是裝載內(nèi)部的脈沖編碼器，不會(huì)受一些非線性因素的影響，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)的控制。并且電機(jī)軸或者絲桿上裝載整個(gè)系統(tǒng)中所有的反饋信號(hào)，一般都是用來位置或者速度的檢測器件，能夠給系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)的機(jī)制。在數(shù)控機(jī)床中，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置精度不高的情況下，機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的精度可以作為整個(gè)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度，為了達(dá)到要求的高度，數(shù)控裝置內(nèi)部的誤差補(bǔ)償功能和間隙補(bǔ)償功提升加工的精度。

1.3全閉環(huán)伺服系統(tǒng)是由各種裝置組成，即：比較環(huán)節(jié)、伺服驅(qū)動(dòng)放大器、機(jī)械傳動(dòng)裝置、進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)以及直線位移測量裝置等。其中，全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部件能夠監(jiān)測、反饋修正機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的移動(dòng)量，即：直流伺服電動(dòng)機(jī)或者交流伺服電動(dòng)機(jī)。在測量機(jī)床部件時(shí)，能夠構(gòu)成一個(gè)較高精度的全閉環(huán)控制位置系統(tǒng)，可以直接利用安裝在工作臺(tái)的光棚或者感應(yīng)同步器。在整個(gè)全閉環(huán)系統(tǒng)中，可以在移動(dòng)的部件上，安裝直線位移檢測器，也就是說，這個(gè)位移檢測器的精度和靈敏度就是移動(dòng)部件測量精度、靈敏度，同樣加工精度也相對(duì)地得到了提升。但機(jī)械傳動(dòng)裝置之間的一些非線性因素，會(huì)影響整體的穩(wěn)定性，如：摩擦阻尼、裝置剛度以及反向間隙等。并且在整個(gè)全閉環(huán)伺服電機(jī)系統(tǒng)中，安裝和調(diào)試全閉環(huán)伺服系統(tǒng)過程非常復(fù)雜。

2伺服電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用

2.1在控制精準(zhǔn)度的應(yīng)用

全數(shù)字交流伺服是以2000線編碼器為標(biāo)準(zhǔn)，控制交流伺服則更能體現(xiàn)控制精準(zhǔn)度，將旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在交流伺服電機(jī)電機(jī)軸后方。驅(qū)動(dòng)器的安裝使用四倍頻技術(shù)，脈沖量為0.045?。在數(shù)字化伺服電機(jī)系統(tǒng)中，如果使用17編碼器其脈沖量可以換算為1.8的步距角，為0.0027466?，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈接收一次131072個(gè)脈沖。兩相混合式和五相混合式是步進(jìn)電機(jī)的兩種形式，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的脈沖量數(shù)據(jù)較小，脈沖量為1/655.相比之下。其中，兩相混合式性能較高，步距角則主要以1.8?、0.9?為主經(jīng)過細(xì)分之后，性能較高的二相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角更小，可以有效實(shí)現(xiàn)五相混合式、普通二相混合式步距角的兼容，五相混合式步距角是以0.72?、0.36?為主;諸如0.072?、0.18?、0.9?等二相混合式在設(shè)置步距角時(shí)，可以利用撥碼開關(guān)的方式。

2.2在低頻特性的應(yīng)用

受工作原理出現(xiàn)低頻振動(dòng)狀態(tài)對(duì)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)很大。低頻振動(dòng)與電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的振動(dòng)頻率和負(fù)載情況、驅(qū)動(dòng)器性能有很大的關(guān)系，在低速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，其主要存在于步進(jìn)電機(jī)中。振動(dòng)頻率是電機(jī)空載起跳頻率的1/2，控制低頻振動(dòng)通常會(huì)使用阻尼技術(shù)來提升步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。如：在控制過程中，利用驅(qū)動(dòng)器中細(xì)分技術(shù)或通過設(shè)置阻尼器等。但如果電機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)中，為了使其運(yùn)轉(zhuǎn)更為穩(wěn)定，通常使用交流伺服電機(jī)技術(shù)，這樣不會(huì)造成低頻振動(dòng)問題。交流伺服電機(jī)系統(tǒng)攜帶著共振抑制功能，具備頻率解析功能，可以有效彌補(bǔ)機(jī)械剛性中存在的不足，能夠避免發(fā)生共振問題，有效監(jiān)測出機(jī)械共振點(diǎn)。

2.3在過載能力的應(yīng)用

交流伺服電機(jī)具備非常高的速度過載能力和轉(zhuǎn)矩過載能力，步進(jìn)電機(jī)并沒有過載性能，而交流伺服電機(jī)能夠體現(xiàn)出較強(qiáng)的過載能力，如：SANYO步進(jìn)電機(jī)。因此，在實(shí)踐過程中，一般會(huì)選擇大機(jī)型電機(jī)，才能克服啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩。但是在實(shí)際應(yīng)用期間，很容易導(dǎo)致力矩浪費(fèi)，不需要過高的電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

2.4伺服電機(jī)控制方法首先，對(duì)于電機(jī)軸來說，轉(zhuǎn)矩控制主要具有調(diào)節(jié)對(duì)外輸出轉(zhuǎn)矩的作用，利用輸入外部模擬量或者在地址上直接賦值的方式，如：10V與5N·m相對(duì)應(yīng)時(shí)，電機(jī)軸輸出為2.5N·m，外部模擬量設(shè)置為5V。當(dāng)電機(jī)軸負(fù)載大于2.5N·m時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn);當(dāng)電機(jī)軸負(fù)載小于2.6N·m時(shí)，電機(jī)不會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。并且通過通信方式或?qū)δM量進(jìn)行調(diào)整的方式，可以改變設(shè)定矩的大小，改變相應(yīng)的地址數(shù)值。但諸如光纖設(shè)備等應(yīng)用對(duì)象為材質(zhì)受力要求則比較嚴(yán)苛的纏繞和放卷。其次，位置控制的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、角度，是以外部輸入脈沖頻率、個(gè)數(shù)來明確的。由于位置模式對(duì)于速度、位置的控制十分嚴(yán)苛，在速度和位移上，個(gè)別伺服可以直接采用通信的方式實(shí)現(xiàn)賦值。因此在定位裝置中應(yīng)用較多。為了控制轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，氣門利用了模擬量輸入、脈沖頻率等技術(shù)。上位控制裝置外環(huán)PID能夠準(zhǔn)確定位速度，但這一操作的計(jì)算依據(jù)需要將電機(jī)位置信號(hào)直接反饋給上位。檢測裝置負(fù)責(zé)提供位置信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測可以由電機(jī)軸端編碼器負(fù)責(zé)，位置模式可以直接對(duì)外環(huán)檢測位置信號(hào)進(jìn)行負(fù)載。如此一來，可以提升系統(tǒng)的定位精準(zhǔn)度，消除中間傳動(dòng)操作中存在的誤差。另外，伺服電機(jī)內(nèi)有閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，PID環(huán)即電流環(huán)位于最內(nèi)側(cè)，利用霍爾裝置檢測驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)電機(jī)各相的電流輸出，運(yùn)行環(huán)境為伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)。為了使輸出電流和設(shè)定電流盡量相等，負(fù)反饋對(duì)電流設(shè)定展開PID調(diào)節(jié)。也就是說，由于電流環(huán)控制著電機(jī)轉(zhuǎn)矩，因此，轉(zhuǎn)矩模式動(dòng)態(tài)響應(yīng)最為迅速，在三者中驅(qū)動(dòng)器運(yùn)算最小。第2環(huán)利用電機(jī)編碼器信號(hào)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋PID的調(diào)節(jié)，為速度環(huán)。并且在速度環(huán)控制過程中，由于環(huán)內(nèi)PID輸出直接設(shè)置電流環(huán)，因此，包括速度環(huán)和電流環(huán)。第3環(huán)為位置環(huán)，需要結(jié)合狀況進(jìn)行確定，構(gòu)建于外部控制器、電機(jī)編碼器或驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)編碼器之間，位于最外側(cè)。位置控制模式系統(tǒng)內(nèi)需要對(duì)這3個(gè)環(huán)進(jìn)行運(yùn)算，這是由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出直接設(shè)置速度環(huán)所造成的，這時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非常迅速，形成的運(yùn)算量最大。3伺服電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展前景

電機(jī)控制專用繼承電路是企業(yè)設(shè)計(jì)伺服電機(jī)最普遍的形式，設(shè)計(jì)軟件主要為復(fù)雜可編程邏輯器件和現(xiàn)場可編程邏輯陣列。并且在設(shè)計(jì)電機(jī)控制集成電路時(shí)，需要依據(jù)用戶、電子系統(tǒng)要求。該電路能夠?qū)崿F(xiàn)操作邊界的有效掃描，特點(diǎn)在于用戶現(xiàn)場可操控編程。電機(jī)控制專用集成電路具有設(shè)計(jì)、生產(chǎn)時(shí)間短等特征，主要體現(xiàn)在制定用戶要求、數(shù)量少等方面。與通用電路相比，集成電路電子技術(shù)和用戶積淀系統(tǒng)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，重量輕、成本低、體積小、功耗低，但質(zhì)量高。并且在電機(jī)控制MCU設(shè)計(jì)、電機(jī)控制DSP設(shè)計(jì)等方面，伺服電機(jī)控制技術(shù)也有所體現(xiàn)。交流伺服電動(dòng)機(jī)屬于無刷結(jié)構(gòu)，提升功率與轉(zhuǎn)速快、維修幾率小。20世紀(jì)80年代中，伺服電機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)融合催化加工技術(shù)，并且在今后的發(fā)展中也會(huì)獲得很大的發(fā)展。如：在數(shù)控系統(tǒng)中，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)已經(jīng)逐漸應(yīng)用起來。如今，交流伺服系統(tǒng)主要替換了直流伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。今后伺服電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展方向，就是在數(shù)控操作系統(tǒng)中全面實(shí)現(xiàn)直流伺服系統(tǒng)取締工作，硬件設(shè)備控制能夠替代軟件中應(yīng)用的控制。

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