谈工业控制电气伺服驱动技术及其发展

1 伺服驱动系统的基本概念和应用

　　围绕伺服驱动装置的动态特性与静态特性的提高，近年来国内外发展了多种伺服驱动技术。电气伺服技术应用广泛，主要原因是控制方便灵活，容易获得驱动能源，没有公害污染，维护也比较容易。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展，它为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。

　　伺服系统一是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值(或给定值)任意变化的自动控制系统。伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由位置检测部分、误差放大部分、执行部分及被控对象组成。

　　伺服系统的性能要求：伺服系统必须具备可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能。可控性好是指信号消失以后，能立即自行停转；稳定性高是指转速随转距的增加而均匀下降；速应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。

　　伺服驱动系统综合了伺服电动机、角位移传感器和伺服驱动控制器的最新成就，与采用新型电力电子器件、专用集成电路和新的控制算法的交流伺服驱动器相匹配，组成新型高性能机电一体化产品。这种系统以仅仅数年的成长期迅速进入鼎盛阶段，在工业自动化领域及现代军事装备中获得了越来越多的应用。伺服驱动装置作为伺服机构的运动控制系统，无论是数控机床、工业机器人、冶金、化工设备、雷达以及各种工业自动化过程中数控装置，其执行部分均使用了各种数字式或模拟式伺服驱动系统。它的功率不大，由几瓦到几十千瓦，但却是一项关键的基础技术。上述设备的性能和工作可靠性、经济性，均与所用伺服驱动系统有直接关系。

　　伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动机至今已有五十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段：第一个阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环系统；第二个阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好；第三个阶段在20世纪90年代，是以机电一体化作为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机(方波驱动)，交流伺服电动机(正弦波驱动)等种种新型电动机。因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对伺服系统产生了很重要的影响，交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服，智能化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为工厂自动化等各个领域中的主流产品。伺服系统在机电设备中具有重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。随着技术的进步和整个工业的不断发展，拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取代传统的液压、直流、步进和AC变频调速驱动，以便使系统性能达到一个全新的水平，包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。

2 伺服驱动系统的分类及其特性

　　伺服驱动系统的种类：通常根据伺服驱动机的种类来分类，有电气式、油压式或电气一油压式三种。伺服系统若按功能来分，则有计量伺服和功率伺服系统；模拟伺服和功率伺服系统；位置伺服和加速度伺服系统等。电气式伺服系统根据电气信号可分为DC直流伺服系统和AC交流伺服系统。AC交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种。交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分：永磁同步(SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低、发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。

　　交流伺服系统根据其处理信号的方式不同，可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和全数字式伺服；如果按照使用的伺服电动机的种类不同，又可分为两种：一种是用永磁同步伺服电动机构成的伺服系统，包括方波永磁同步电动机伺服系统和正弦波永磁同步电动机伺服系统；另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。二者的不同之处在于永磁同步电动机伺服系统中需要采用磁极位置传感器，而感应电动机伺服系统中含有滑差频率计算部分。若采用微处理器软件实现伺服控制，可以使永磁同步伺服电动机和鼠笼型异步伺服电动机使用同一套伺服放大器。

　　目前，伺服系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微机实现的。这是因为基于微机实现的数字伺服控制器与模拟伺服控制器相比，具有下列优点：能明显地降低控制器硬件成本；速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现，硬件费用会变得很便宜；体积小、重量轻、耗能少，可显著改善控制的可靠性；集成电路和大规模集成电路的平均无故障时间(MTBF)大大长于分立元件电子电路；数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好；在电路集成过程中采用了一些屏蔽措施，可以避免电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，因此可靠性比较高；采用微处理机的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位系统机联运，可随时改变控制参数；可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法；以满足不同的用途。软件模块可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新；提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力，使伺服系统更趋于智能化；随着微机芯片运算速度和存贮器容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。