伺服系統：需求提升性能指標

　　【 伺服源自英文單詞“Servo”，顧名思義，就是指系統跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運動(dòng)，而其中的運動(dòng)要素包括位置、速度和力矩等物理量?；仡?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/伺服系統">伺服系統的發(fā)展歷程，從最早的液壓、氣動(dòng)到如今的電氣化，由伺服電機、反饋裝置與控制器組成的伺服系統已經(jīng)走過(guò)了近50個(gè)年頭?！?/p>本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/110022.htm

　　伺服源自英文單詞“Servo”，顧名思義，就是指系統跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運動(dòng)，而其中的運動(dòng)要素包括位置、速度和力矩等物理量?；仡?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/伺服系統">伺服系統的發(fā)展歷程，從最早的液壓、氣動(dòng)到如今的電氣化，由伺服電機、反饋裝置與控制器組成的伺服系統已經(jīng)走過(guò)了近50個(gè)年頭。

　　如今，隨著(zhù)技術(shù)的不斷成熟，交流伺服電機技術(shù)憑借其優(yōu)異的性?xún)r(jià)比，逐漸取代直流電機成為伺服系統的主導執行電機。交流伺服系統技術(shù)的成熟也使得市場(chǎng)呈現出快速的多元化發(fā)展，并成為工業(yè)自動(dòng)化的支撐性技術(shù)之一。

　　南京工業(yè)大學(xué)運動(dòng)控制研究所所長(cháng)舒志兵在采訪(fǎng)中用九個(gè)字描述了伺服系統的發(fā)展趨勢：即高精度、高速度、大功率。他解釋說(shuō)，伺服系統的發(fā)展要充分利用電子和計算機技術(shù)，采用數字式伺服系統，利用微機實(shí)現調節控制，增強軟件控制功能，排除模擬電路的非線(xiàn)性誤差和調整誤差以及溫度漂移等因素的影響，這可大大提高伺服系統的性能，并為實(shí)現最優(yōu)控制、自適應控制創(chuàng )造條件。同時(shí)，要開(kāi)發(fā)高精度、快速檢測元件與高性能的伺服電機(執行元件)。

　　如何提高交流伺服系統的性能指標

　　眾所周知，伺服系統由伺服驅動(dòng)裝置和驅動(dòng)元件組成，高性能的伺服系統還有檢測裝置，用來(lái)反饋實(shí)際的輸出狀態(tài)。

　　舒所長(cháng)介紹，在交流伺服系統中，電動(dòng)機的類(lèi)型有永磁同步交流伺服電機(PMSM)和感應異步交流伺服電機(IM)，其中永磁同步電機具備十分優(yōu)良的低速性能，可以實(shí)現弱磁高速控制，具有調速范圍寬廣、動(dòng)態(tài)特性和效率高的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)展成為伺服系統的主流之選。而異步伺服電機雖然結構堅固、價(jià)格低廉，但在特性與效率上與永磁同步電機存在差距，只在大功率場(chǎng)合得到重視。

　　隨著(zhù)交流伺服系統的應用范圍逐漸拓寬，其性能的評價(jià)標準也得到廣泛關(guān)注。舒所長(cháng)將性能指標大致分為調速范圍、定位精度、穩速精度、動(dòng)態(tài)響應和運行穩定性等方面，同時(shí)他對這幾個(gè)指標分別做了詳細說(shuō)明，他解釋道：“低檔的伺服系統調速范圍在1：1000以上，一般的在1：5000～1：10000，高性能的可以達到1：100000以上;定位精度一般都要達到±1個(gè)脈沖，尤其是低速下的穩速精度。比如給定1rpm時(shí)，一般的在±0.1rpm以?xún)?，高性能的可以達到±0.01rpm以?xún)?動(dòng)態(tài)響應方面，通常衡量的指標是系統最高響應頻率，即給定最高頻率的正弦速度指令，系統輸出速度波形的相位滯后不超過(guò)90度或者幅值不小于50%。進(jìn)口三菱伺服電機MR-J3系列的響應頻率高達900Hz，而國內主流產(chǎn)品的頻率在200～500Hz;運行穩定性主要是指系統在電壓波動(dòng)、負載波動(dòng)、電機參數變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾，以及其他特殊運行條件下，維持穩定運行并保證一定的性能指標的能力。這方面國產(chǎn)產(chǎn)品與世界先進(jìn)產(chǎn)品相比差距較大。”

　　同時(shí)，舒所長(cháng)從控制策略方面對伺服系統性能進(jìn)行了進(jìn)一步闡釋?zhuān)榻B，基于電機穩態(tài)數學(xué)模型的電壓頻率控制方法和開(kāi)環(huán)磁通軌跡控制方法都難以達到良好的伺服特性，目前普遍應用的是基于永磁電機動(dòng)態(tài)解耦數學(xué)模型的矢量控制方法，這是現代伺服系統的核心控制方法。他強調說(shuō)：“雖然人們?yōu)榱诉M(jìn)一步提高控制特性和穩定性，提出了反饋線(xiàn)性化控制、滑模變結構控制、自適應控制等理論，還有不依賴(lài)數學(xué)模型的模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )控制方法，但是大多在矢量控制的基礎上附加應用這些控制方法。”

　　什么樣的伺服系統才是用戶(hù)最需要的?

　　近年來(lái)，伺服系統的發(fā)展始終以穩定性、響應性與精度為發(fā)展主軸，這也是用戶(hù)在使用過(guò)程中最為看重的幾大因素。穩定的系統可以在給定輸入或外界干擾作用下，在短暫的調節后達到新的或者恢復到原有的平衡狀態(tài);伺服系統的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。以數控機床為例，允許的偏差一般都在0.01～0.00lmm之間;快速響應性是伺服系統動(dòng)態(tài)品質(zhì)的標志之一，即要求跟蹤指令信號的響應要快，一方面要求過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，一般在200ms以?xún)?，甚至小于幾十毫秒。而另一方面，為了滿(mǎn)足超調要求，要求過(guò)渡過(guò)程的前沿陡，即上升率要大。

　　舒所長(cháng)還強調，由于用戶(hù)在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì )遇到伺服系統頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程，這就要求伺服電機具有高性能，即電機的輸出力矩與轉動(dòng)慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動(dòng)力矩。要求伺服電機在低速時(shí)有足夠大的輸出力矩且運轉平穩，以便在與機械運動(dòng)部分連接中盡量減少中間環(huán)節;同時(shí)，寬調速范圍的速度調節系統也是用戶(hù)較為關(guān)注的熱點(diǎn)。以機床行業(yè)為例，從系統的控制結構看，數控機床的位置閉環(huán)系統可以看作是位置調節為外環(huán)、速度調節為內環(huán)的雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統，其內部的實(shí)際工作過(guò)程是把位置控制輸入轉換成相應的速度給定信號后，再通過(guò)調速系統驅動(dòng)伺服電機，實(shí)現實(shí)際位移。數控機床的主運動(dòng)要求調速性能也比較高，因此要求伺服系統為高性能的寬調速系統。

　　目前，伺服系統的應用行業(yè)逐漸增多，行業(yè)用戶(hù)的需求也在完善著(zhù)伺服系統的功能與性能。舒所長(cháng)介紹說(shuō)：“近幾年，隨著(zhù)國內外公司應用伺服產(chǎn)品的成功案例增多，以及在國外展會(huì )上關(guān)于運動(dòng)控制新技術(shù)的見(jiàn)聞，我大致地總結了一些伺服驅動(dòng)系統、運動(dòng)控制和相關(guān)軟件的發(fā)展趨勢：首先就是產(chǎn)品的模塊化設計，同時(shí)在產(chǎn)品中融入機器安全的概念;同時(shí)，在適合運動(dòng)控制的工業(yè)協(xié)議方面，我們注意到包括倍福、貝加萊、丹納赫、西門(mén)子等公司都推出了自己的通訊協(xié)議。這些通訊協(xié)議都為多軸實(shí)時(shí)同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驅動(dòng)器集成進(jìn)去。目前，國內的相關(guān)企業(yè)與研究所已經(jīng)進(jìn)行了研發(fā)實(shí)踐，這一方面消化了國外的先進(jìn)技術(shù)，另一方面也為自己的總線(xiàn)標準的制定做出了有益的嘗試。”