王小鋒

（中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司裝試分廠，陜西 西安 710077）

隨著科技的不斷的發(fā)展，伺服電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)正在逐步數(shù)字化和智慧化。驅(qū)動(dòng)器、控制系統(tǒng)以及保護(hù)系統(tǒng)和電源電子組件都是伺服控制系統(tǒng)的組成部分。它們采用數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、微電子技術(shù)、特殊電機(jī)材料技術(shù)和最新的控制技術(shù)開(kāi)發(fā)而成。

1 伺服電動(dòng)機(jī)概述

伺服電機(jī)也稱(chēng)為執(zhí)行器。其功能是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)軸的角位移或角輸出速度。根據(jù)所用電源的性質(zhì)，伺服電機(jī)可以分為兩類(lèi)：交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)。

1.1 交流伺服電動(dòng)機(jī)

1.1.1 結(jié)構(gòu)

交流伺服電動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是小型單相交流異步電動(dòng)機(jī)。兩組繞組安裝在定子上。首先，是連接到交流電源的磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)。另一個(gè)是連接到控制電壓的控制繞組。兩個(gè)繞組組以90e 的電角分開(kāi)放置，以加速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的形成。當(dāng)控制電壓與電源電壓同相時(shí)，合適的電容器與繞組磁場(chǎng)串聯(lián)連接以實(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)移，并且兩個(gè)繞組的波具有大約90e 的相位，以加速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的形成。1.1.2 工作原理

當(dāng)伺服電機(jī)繞組的勵(lì)磁連接到交流電源并且控制信號(hào)為零時(shí)，由于僅由定子勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子上沒(méi)有電磁轉(zhuǎn)矩，因此，轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)將控制信號(hào)施加到繞組控制時(shí)，在定子氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩并使轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)。隨著控制電壓的變化，轉(zhuǎn)子速度也會(huì)變化。如果控制電壓反向，則轉(zhuǎn)子將反向。如果失去控制信號(hào)，伺服電機(jī)將立即停止旋轉(zhuǎn)。

1.1.3 伺服電動(dòng)機(jī)的基本性能要求

（1）可控性好，不會(huì)自轉(zhuǎn)。

（2）運(yùn)行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速會(huì)隨轉(zhuǎn)矩的升高而勻速下降。

（3）反應(yīng)快，接到信號(hào)就立即運(yùn)作，失去信號(hào)馬上停止。

1.1.4 交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制

電磁轉(zhuǎn)矩的強(qiáng)度取決于氣隙磁場(chǎng)各極處的磁通量的大小和階段，轉(zhuǎn)子電流的大小和階段，即控制電壓的大小和相位?？梢酝ㄟ^(guò)以下三種方法進(jìn)行控制電機(jī)運(yùn)作：（1）振幅控制，即僅改變功率而不改變控制電壓的相角。（2）相位控制，僅改變相位，不對(duì)控制電壓的幅度做出改變。（3）幅度和相位的控制，也就是同時(shí)改變控制電壓的幅度和相位。

1.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)

1.2.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

直流伺服電動(dòng)機(jī)與普通直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和工作原理基本上沒(méi)有差別。但是，它還具有以下獨(dú)特的自身特點(diǎn)：

（1）氣隙相對(duì)較小，磁路不飽和，磁通量和勵(lì)磁電流與勵(lì)磁電壓成正比。

（2）電樞電阻大，機(jī)械特性軟。

（3）電樞相對(duì)較薄，并具有微小的慣性矩。

（4）出色的通勤性能，無(wú)須通勤崗位。

1.2.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制

直流伺服電動(dòng)機(jī)的速度由信號(hào)電壓控制，有以下兩種控制方法。

（1）控制電樞，即向繞組電樞施加控制信號(hào)電壓（勵(lì)磁電流不變）。

（2）控制磁場(chǎng)，即將控制信號(hào)電壓施加到繞組的勵(lì)磁上（電樞電壓不變）。

2 伺服控制系統(tǒng)

（1）開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)。由于開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)沒(méi)有用于檢測(cè)的反饋設(shè)備，因此，內(nèi)部沒(méi)有用于反饋運(yùn)動(dòng)的控制環(huán)。一旦該設(shè)備發(fā)送脈沖命令，電動(dòng)機(jī)就會(huì)相應(yīng)地運(yùn)行。發(fā)生運(yùn)動(dòng)錯(cuò)誤時(shí)，不會(huì)生成有關(guān)錯(cuò)誤糾正過(guò)程的信息或錯(cuò)誤反饋。其中，步進(jìn)電機(jī)是開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)部分。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)角和機(jī)器傳動(dòng)的精度決定了整個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的精度。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于這種精度的要求并不高，因此，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)作很慢，有些零件存在運(yùn)動(dòng)限制，但是，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、制造成本低以及控制電路非常簡(jiǎn)單的特性，環(huán)路控制系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)可以用于某些不需要高精度和高速度的設(shè)備。

（2）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)通常由無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器或測(cè)量速度的發(fā)電機(jī)組成。無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器通常用于位置或速度檢測(cè)器。最重要的設(shè)備是內(nèi)部脈沖編碼器。電動(dòng)機(jī)或螺桿上充滿(mǎn)了整個(gè)系統(tǒng)的所有反饋信號(hào)。除了這些機(jī)制之外，還可以用于系統(tǒng)機(jī)械傳輸?shù)臋C(jī)制。一些非線(xiàn)性因素不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)，并且易于安裝和調(diào)試。機(jī)器變送器的精度可用作整個(gè)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度。如果機(jī)械傳動(dòng)不是很準(zhǔn)確，則CNC 裝置中的錯(cuò)誤校正和間隙校正功能可以提高加工精度，直到達(dá)到所需的高度為止。因此，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)被廣泛用于數(shù)控機(jī)床。

（3）全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)由比較裝置、伺服驅(qū)動(dòng)放大器、進(jìn)給伺服電機(jī)以及機(jī)械變送器和線(xiàn)性位移測(cè)量設(shè)備組成的。DC 伺服電機(jī)或AC 伺服電機(jī)是全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分，該系統(tǒng)監(jiān)視機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)并執(zhí)行反饋校正。在測(cè)量機(jī)床零件時(shí)，可以直接使用安裝在工作臺(tái)上的照明室或感應(yīng)同步器，兩者結(jié)合在一起，即可形成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

在整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中，線(xiàn)性位移檢測(cè)器安裝在運(yùn)動(dòng)部件上。相對(duì)而言，該轉(zhuǎn)移部分的測(cè)量精度和靈敏度是去除檢測(cè)器的精度和靈敏度，并且處理精度也很高。但是，機(jī)械變送器之間的摩擦，設(shè)備剛度和注入間隔等非線(xiàn)性因素對(duì)整個(gè)閉環(huán)伺服電機(jī)系統(tǒng)都有重要影響。此外，全閉環(huán)伺服器的安裝和調(diào)試系統(tǒng)過(guò)程也非常繁復(fù)。

3 伺服電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用概述

3.1 在低頻特性的應(yīng)用

基于工作原理的低頻振動(dòng)狀態(tài)非常適合步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)行，振動(dòng)頻率與電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率、負(fù)載條件和驅(qū)動(dòng)性能具有良好的相關(guān)性。它主要被應(yīng)用于低速運(yùn)行的電機(jī)中。其振動(dòng)頻率只是空載電動(dòng)機(jī)起飛頻率的1/2。低頻振動(dòng)控制通常使用阻尼技術(shù)來(lái)改善步進(jìn)電機(jī)的工作條件。例如，控制過(guò)程涉及在驅(qū)動(dòng)器上使用細(xì)分技術(shù)并設(shè)置阻尼器。但是，如果電動(dòng)機(jī)以低速運(yùn)行，則通常使用交流伺服電動(dòng)機(jī)技術(shù)使其更穩(wěn)定，并且不會(huì)引起低頻振動(dòng)問(wèn)題。AC 伺服電機(jī)系統(tǒng)具有共振抑制功能和頻率分析功能，可以補(bǔ)償機(jī)械硬度的不足，防止共振問(wèn)題，并有效地監(jiān)測(cè)機(jī)械共振點(diǎn)。

3.2 在過(guò)載能力的應(yīng)用

交流伺服電機(jī)具有非?？斓倪^(guò)載能力和扭矩過(guò)載能力。步進(jìn)電機(jī)的性能不高，但是，交流伺服電機(jī)的過(guò)載能力與三洋步進(jìn)電機(jī)相當(dāng)。因此，實(shí)際上，通常選擇大型電動(dòng)機(jī)來(lái)克服啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的慣性矩。然而，在實(shí)際使用中，很可能會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)，并且不需要過(guò)多的電動(dòng)機(jī)扭矩。

3.3 伺服電機(jī)控制方法

對(duì)于電動(dòng)機(jī)軸，扭矩控制主要使用以下功能：使用外部模擬量或直接地址分配的輸入來(lái)調(diào)節(jié)扭矩的外部輸出。此外，還可以通過(guò)通信或調(diào)整模擬音量更改設(shè)置力矩的大小并更改相應(yīng)的地址值。但是，諸如光纖設(shè)備之類(lèi)的應(yīng)用對(duì)象需要更嚴(yán)格的纏繞和放卷。

此外，轉(zhuǎn)速和位置控制角由外部脈沖輸入的頻率和數(shù)量決定。位置模式對(duì)速度和方位的制約非常嚴(yán)格，所以，從速度和位移的角度出發(fā)，我們發(fā)現(xiàn)，可以直接通過(guò)通信分配單個(gè)伺服器，所以，它被廣泛用于定位設(shè)備中。為了控制旋轉(zhuǎn)速度，該閥門(mén)使用了模擬輸入和脈沖頻率等技術(shù)，上位控制單元外部的PID 回路可以準(zhǔn)確地定位速度，但是，計(jì)算此操作的基礎(chǔ)要求在較高的電動(dòng)機(jī)位置上直接反饋信號(hào)。檢測(cè)器是用來(lái)提供位置信號(hào)的工具，可以通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)軸的末端進(jìn)行編碼來(lái)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)速度檢測(cè)。同時(shí)，位置模式可以將回路檢測(cè)位置信號(hào)直接加載其中。以這種方式，可以改善系統(tǒng)的定位，并且可以消除中間變速器操作中的錯(cuò)誤。

4 伺服電機(jī)控制技術(shù)的前景

20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，伺服電機(jī)技術(shù)逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。交流伺服電機(jī)體積相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，幾乎不需要養(yǎng)護(hù)，原因是它沒(méi)有刷頭。這種外觀在提高速度和強(qiáng)度方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前，交流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)在數(shù)字語(yǔ)音控制市場(chǎng)中有許多應(yīng)用，逐漸取代了直流伺服電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)。在伺服技術(shù)的發(fā)展中，也出現(xiàn)了直流伺服技術(shù)取代交流伺服技術(shù)的現(xiàn)象，硬件控制已被軟件控制所取代。伺服系統(tǒng)正在慢慢發(fā)展為數(shù)字和微處理器，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，具有更快的計(jì)算速度和更短的采樣時(shí)間。該技術(shù)的發(fā)展優(yōu)化了其系統(tǒng)的性能，使其更加靈活可靠，同時(shí)，促進(jìn)了調(diào)試功能，并促進(jìn)了高質(zhì)量的開(kāi)發(fā)。

至今，直線(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)已廣泛用作大型加工工具的驅(qū)動(dòng)方法。直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)器相比，具有更堅(jiān)固、速度差范圍更廣、加速性能更好的優(yōu)勢(shì)。它可以直接驅(qū)動(dòng)，而無(wú)須中間機(jī)器進(jìn)行交付，并且在位置和精度上更加平穩(wěn)、更精密。

在運(yùn)行期間，還降低了機(jī)器之間的磨損，從而大大減少了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的維護(hù)時(shí)間。當(dāng)前，用于高速、高精度加工機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和滾珠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均存在，但是，長(zhǎng)期發(fā)展將增加直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比例。

5 結(jié)語(yǔ)

伺服電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用不僅可以滿(mǎn)足一般工業(yè)生產(chǎn)所需的低成本，而且可以減少設(shè)備維護(hù)的頻率，減少資金浪費(fèi)并提高設(shè)備的可用性。