伺服控制系统

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1、现代伺服控制系统综述1.引言随着社会的发展，伺服控制系统在现代社会的作用就越来越大，运用范围也越来越广。从最开始的主要运用与军事方面到工业的方方面面都离不开伺服控制系统。伺服系统最初是用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。因为伺服控制系统在整个社会发展中的地位越来越重要，这就要求我们当代的自动化专业的大学生对现代伺服控制系统要有一个更加深入的认识和研究。我们主要可以去了解控制策略、控制方法、系统设计(包括交直流伺服、数控、视觉伺服、液压伺服、.气动伺服、机器人伺服等系统)、伺服电动机(包括永磁同步电机、步进电机、直线电

2、机、开关磁阻电机等电机的设计、新原理、新材料、新结构和电机磁场与性能分析及软件分析平台)、伺服控制前沿技术、行业信息、应用案例、伺服器件、传感器、工业通信、新产品等关于伺服控制系统的知识，从我们个人的发展上来说，伺服控制系统是一个自动化专业学生大有发展的行业，从整个国家来说，我们国家的发展很需要我们专业的学生对伺服控制系统有一个更加深入的了解和研究。所以我在这里简单地介绍一下我对伺服控制系统的认识和见解。2.伺服运动控制系统简介2.1 概念用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统称为伺服控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反

3、馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。2.2 指标要求（1）系统精度要高 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度,以误差的形式表现,可概括为动态误差,稳态误差和静态误差三个方面组成。在伺服控制系统中一般系统精度越高越好。 （2）稳定性要好 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后,系统能够恢复到原来稳定状态的能力;或者当给系统一个新的输入指令后,系统达到新的稳定运行状态的能力，在实际运用中我们希望系统的这一能力越强越好。 （3）响应速度要快 响应特性指的是输出量跟随输入指令变

4、化的反应速度,决定了系统的工作效率.响应速度与许多因素有关,如计算机的运行速度,运动系统的阻尼和质量等。在生产运用中我们希望响应速度是越快越好。 （4）工作频率范围要宽 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围.当工作频率信号输入时,系统能够按技术要求正常工作;而其它频率信号时，体统不能正常工作。根据我们的实际需求我们希望一个系统的工作频率的范围要比较宽，这样才能将伺服控制系统用于实际生产。 2.3 体系架构2.3.1 分类伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统， 机 电 伺服 系 统 又 分 步 进 式 伺 服 系 统 、 直 流 电 动 机 (简 称

5、直 流 电 机 )伺 服 系 统 、 交 流 电 动 机 (简称 交 流 电 机 )伺 服 系 统 。 按 控 制 方 式 划 分 ， 有 开 环 伺 服 系 统 、 闭 环 伺 服 系 统 和 半 闭 环伺 服 系 统 等 。 （ 1） 开 环 系 统它 主 要 由 驱 动 电 路 ， 执 行 元 件 和 机 床 3 大 部 分 组 成 。 常 用 的 执 行 元 件 是 步 进 电机 ， 通 常 称 以 步 进 电 机 作 为 执 行 元 件 的 开 环 系 统 为 步 进 式 伺 服 系 统 ， 在 这 种 系 统 中 ，如 果 是 大 功 率 驱 动 时 ， 用 步 进 电 机 作 为

6、 执 行 元 件 。 驱 动 电 路 的 主 要 任 务 是 将 指 令 脉 冲转 化 为 驱 动 执 行 元 件 所 需 的 信 号 。（ 2） 闭 环 系 统闭 环 系 统 主 要 由 执 行 元 件 、 检 测 单 元 、 比 较 环 节 、 驱 动 电 路 和 机 床 5 部 分 组 成 。在 闭 环 系 统 中 ， 检 测 元 件 将 机 床 移 动 部 件 的 实 际 位 置 检 测 出 来 并 转 换 成 电 信 号 反 馈 给比 较 环 节 。 常 见 的 检 测 元 件 有 旋 转 变 压 器 、 感 应 同 步 器 、 光 栅 、 磁 栅 和 编 码 盘 等 。通 常 把

7、安 装 在 丝 杠 上 的 检 测 元 件 组 成 的 伺 服 系 统 称 为 半 闭 环 系 统 ； 把 安 装 在 工 作 台 上的 检 测 元 件 组 成 的 伺 服 系 统 称 为 闭 环 系 统 。 由 于 丝 杠 和 工 作 台 之 间 传 动 误 差 的 存 在 ，半 闭 环 伺 服 系 统 的 精 度 要 比 闭 环 伺 服 系 统 的 精 度 低 一 些 。 比 较 环 节 的 作 用 是 将 指 令信 号 和 反 馈 信 号 进 行 比 较 ， 两 者 的 差 值 作 为 伺 服 系 统 的 跟 随 误 差 ， 经 驱 动 电 路 ， 控 制执 行 元 件 带 动 工 作

8、台 继 续 移 动 ， 直 到 跟 随 误 差 为 零 。 根 据 进 入 比 较 环 节 信 号 的 形 式 以及 反 馈 检 测 方 式 ， 闭 环 (半 闭 环 )系 统 可 分 为 脉 冲 比 较 伺 服 系 统 、 相 位 比 较 伺 服 系 统 和幅 值 比 较 伺 服 系 统 3 种 。2.3.2 伺 服 的 三 个 环 控 制伺 服 一 般 为 三 个 环 控 制 ， 所 谓 三 环 就 是 3 个 闭 环 负 反 馈 PID 调 节 系 统 。 最 内 的PID 环 就 是 电 流 环 ， 此 环 完 全 在 伺 服 驱 动 器 内 部 进 行 ， 通 过 霍 尔 装 置 检

9、 测 驱 动 器 给 电机 的 各 相 的 输 出 电 流 ， 负 反 馈 给 电 流 的 设 定 进 行 PID 调 节 ， 从 而 达 到 输 出 电 流 尽 量接 近 等 于 设 定 电 流 ， 电 流 环 就 是 控 制 电 机 转 矩 的 ， 所 以 在 转 矩 模 式 下 驱 动 器 的 运 算 最小 ， 动 态 响 应 最 快 。 第 2 环 是 速 度 环 ， 通 过 检 测 的 电 机 编 码 器 的 信 号 来 进 行 负 反 馈 PID 调 节 ， 它 的环 内 PID 输 出 直 接 就 是 电 流 环 的 设 定 ， 所 以 速 度 环 控 制 时 就 包 含 了 速

10、 度 环 和 电 流 环 ，换 句 话 说 任 何 模 式 都 必 须 使 用 电 流 环 ， 电 流 环 是 控 制 的 根 本 ， 在 速 度 和 位 置 控 制 的 同时 系 统 实 际 也 在 进 行 电 流 （ 转 矩 ） 的 控 制 以 达 到 对 速 度 和 位 置 的 相 应 控 制 。 第 3 环 是 位 置 环 ， 它 是 最 外 环 ， 可 以 在 驱 动 器 和 电 机 编 码 器 间 构 建 也 可 以 在 外 部控 制 器 和 电 机 编 码 器 或 最 终 负 载 间 构 建 ， 要 根 据 实 际 情 况 来 定 。 由 于 位 置 控 制 环 内 部输 出 就

11、 是 速 度 环 的 设 定 ， 位 置 控 制 模 式 下 系 统 进 行 了 所 有 3 个 环 的 运 算 ， 此 时 的 系统 运 算 量 最 大 ， 动 态 响 应 速 度 也 最 慢 。 3.伺服控制系统与运动控制系统的区别运动控制系统主要是指运动单元以非常准确的设定速度在规定的时间到达准确位置的可控运动。在运动控制系统你中主要以速度、位置等为被控量，被控对象主要是直流电动机，一般以电流和速度作为系统的反馈检测量。运动控制系统中包含了伺服控制系统这一类别。而伺服控制系统中主要以位置或位移作为被控量，被控对象主要是交流电动机，一般以电流、速度和位移作为反馈检测量。4.现代伺服控制系统

12、的发展趋势现代伺服控制系统以交流伺服系统为主，在这里主要谈谈交流伺服系统。现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比如换相、电流、速度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能 DSP 加 FPGA、以及伺服专用模块(比如 IR 推出的伺服控制专用引擎)也不足为奇。国际厂商伺服产品每 5 年就会换代，新的功率器件或模块每 22.5 年就会更新一次，新的软件算法则日新月异，总之产品生命周期越来越短。总结国内外伺服厂家的技术路线和产品路线，结合市场需求的变化，可以看到以下一些最新发展趋势。 其一，服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性及时变性的“系统” ，同时伺服对象

13、也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时受到不同程度的干扰，因此按常规控制策略很难满足高性能伺服系统的控制要求。为此，如何结合控制理论新的发展，引进一些先进的“复合型控制策略”以改进“控制器”性能是当前发展高性能交流伺服系统的一个主要“突破口” 。其二，电动机、反馈、控制、驱动、通讯的纵向一体化成为当前小功率伺服系统的一个发展方向。有时我们称这种集成了驱动和通讯的电机叫智能化电机(Smart Motor)，有时我们把集成了运动控制和通讯的驱动器叫智能化伺服驱动器。电机、驱动和控制的集成使三者从设计、制造到运行、维护都更紧密地融为一体。但是这种方式面临更大的技术挑战(如可靠性)和工程师使用习

14、惯的挑战，因此很难成为主流，在整个伺服市场中是一个很小的有特色的部分。其三，实现其通用化通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能，便于用户在不改变硬件配置的条件下,方便地设置成 V/F 控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式，适用于各种场合，可以驱动不同类型的电机，比如异步电机、永磁同步电机、无刷直流电机、步进电机，也可以适应不同的传感器类型甚至无位置传感器。可以使用电机本身配置的反馈构成半闭环控制系统，也可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度全闭环控制系统。其四，实现其网络化和模块化，随着机器安全标准的不断发展，

15、传统的故障诊断和保护技术（问题发生的时候判断原因并采取措施避免故障扩大化）已经落伍，最新的产品嵌入了预测性维护技术，使得人们可以通过 Internet 及时了解重要技术参数的动态趋势，并采取预防性措施。比如：关注电流的升高，负载变化时评估尖峰电流，外壳或铁芯温度升高时监视温度传感器，以及对电流波形发生的任何畸变保持警惕。综上所述，随着微电子、计算机、电力半导体和电机制造技术取得巨大技术进步，永磁交流伺服系统也将具有更加美好的发展前景。5.对伺服控制系统的认识在这里我也不具体谈伺服控制系统的某项技术或某方面的内容，我就大概总结一下我对伺服控制系统现状的一些看法。自 20 世纪 80 年代后期以来

16、，随着现代工业的快速发展，对作为工业设备的重要驱动源之一的伺服系统提出了越来越高的要求，研究和发展高性能交流伺服系统成为国内外同仁的共识。有些努力已经取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作电机材料的性能，改进电机结构，提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向和努力。“软形式”上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。如采用“卡尔曼滤波法”估计转子转速和位置的“无速度传感器化”；采用高性能的永磁材料和加工技术改进 PMSM 转子结构和性能，以通过消除/削弱因齿槽转矩所造成的 PMSM 转矩脉动对系统性能的影响；采用基于现代控制理论为基础的具有将强鲁棒性的滑模控制策略以提高系统对参数摄动的自适应能力；在传统 PID 控制基础上进入非线性和自适应设计方法以提高系统对非线性负载类的调节和自适应能力；基于智能控制的电机参数和模型识别，以及负载特性识别。 对于发展高性能交流伺服系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形式”存在的伺服电机、逆变器以相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因数的制约；而