智能伺服技术及其应用
日期：2008-12-8 21:14:24 来源：中国自动化网
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伺服系统是机电产品中的重要环节，其控制性能反映了机电设备的控制质量。本文介绍了伺服技术的发展过程、技术特点和相关技术的发展，并具体阐述了伺服系统的应用及发展趋势。
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，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已进入全数字化和交流化的时代。
1 伺服系统的发展过程
1.1 直流伺服技术
伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。
1.2 交流伺服技术
从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术—交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。
交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类: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。并且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。
系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块IPM。为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点。
1.3 交直流伺服技术的比较
直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。
交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以交流伺服系统在工厂自动化（FA）等各个领域得到了广泛的应用。
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主流产品。
2 伺服系统相关技术的发展
伺服驱动技术的发展与磁性材料技术、半导体技术、通信技术、组装技术、生产工艺水平等基础工业技术的发展密切相关。
磁性材料中，特别是永久磁性材料性能的提高是伺服电机高性能化、小型化所不可缺少的重要条件。以日本安川公司伺服电机产品的磁性材料为例，其磁性材料的磁能积由原来的10MGOe提高到30MGOe，从70年代到90年代的这段时间提高了3倍。
半导体技术的发展使伺服驱动技术进入了全数字化时期，伺服控制器的小型化指标取得了很大的进步。LSI（大规模集成电路）的精细加工技术以及开关特性的改善使高速开关器件的应用成为主流。IGBT（绝缘栅双极型场效应管）已经发展到了第四代产品，其性能则提高了5倍以上。微处理器（CPU）性能的大幅度增强也使伺服控制器的复杂运算速度和多功能处理能力得以提高，同时也为产品的小型化创造了条件。
交流伺服控制器硬件环境的改善以及交流伺服电机的结构和制造材料的改进为更加快速、准确、稳定地控制机械设备创造了很好的条件。
在全数字控制方式下，伺服控制器实现了伺服控制的软件化。现在很多新型的伺服控制器都采用了多种新算法。目前比较常用的算法主要有PID/IPD（比例微分积分/）控制切换、前馈控制、速度实时监控、共振抑制控制、可变增益控制、振动抑制控制、模型规范适应控制、反复控制、预测控制、模型跟踪控制、在线自动修正控制、模糊控制、神经网络控制、H∞控制等。通过采用这些功能算法，可以使伺服控制器的响应速度、稳定性、准确性和可操作性都达到了很高的水平。
3 伺服系统的应用
随着市场竞争的日趋激烈，用户对所需产品提出了更高的技术要求和更合理的性能价格比。伺服系统以其出色的性能满足了各种产品制造厂家近乎苛刻的要求，从而能够对产品的加工过程、加工工艺和综合性能进行改造。在机电一体化设备上伺服系统的使用更加广泛，几乎工业生产的所有领域都成为伺服系统的应用对象。表1列出了伺服系统的主要应用领域。
表1 伺服系统的主要应用领域
4.伺服驱动产品概况
由于伺服驱动产品在工业生产中的应用十分广泛，市场上的相关产品种类很多，从普通电机、变频电机、伺服电机、变频器、伺服控制器到运动控制器、单轴控制器、多轴控制器、可编程控制器、上位控制单元乃至车间级和厂级监控工作站等一应俱全。对于用户而言可以很方便地根据实际需要灵活选用。下面以安川公司的伺服产品为例做一介绍。
4.1 伺服电机
随着永磁材料制造工艺的不断完善，新一代的伺服电机大都采用了最新的Nd2Fe14B1（铷铁硼）材料，该材料的剩余磁密、矫顽力、最大磁能积均好于其他永磁材料，再加上合理的磁极、磁路及电机结构设计，大大地提高了电机的性能，同时又缩小了电机的外形尺寸。新一代的伺服电机大都采用了新型的位置编码器，这种位置编码器的信号线数量从9根减少到5根，并支持增量型和绝对值型两种类型，通信速率达4M/s，通信周期为62.5μs，数据长度为12位，编码器分辨率为20bit/rev，即每转生成100万个脉冲，最高转速达6000r/min，编码器电源电流仅为16μA。
伺服电机按照容量可以分为超小型（MINI型）、小容量型、中容量型和大容量型。超小容量型的功率范围为10W到20W，小容量型的功率范围为30W到750W，中容量型的功率范围为300W到15KW，大容量型的功率范围为22KW到55KW。伺服电机的供电电压范围从100V到400V（单相/三相）。
4.2 伺服控制单元
传统的模拟控制虽然具有连续性好、响应速度快及成本低的优点，但也有难以克服的缺点，如系统调试困难，容易受到环境温度变化的影响而产生漂移，难以实现柔性化设计，缺乏实现复杂计算的能力，无法实现现代控制理论指导下的控制算法等。所以现代伺服控制器均采用全数字化结构，伺服控制系统的主要理论也采用了现代的矢量控制思想，它实现了电流向量的幅值控制和相位控制。
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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，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已进入全数字化和交流化的时代。
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1 伺服系统的发展过程
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1.1 直流伺服技术
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伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。
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1.2 交流伺服技术
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从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术—交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。
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交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类: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。并且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。
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系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块IPM。为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点。
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1.3 交直流伺服技术的比较
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直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。
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交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以交流伺服系统在工厂自动化（FA）等各个领域得到了广泛的应用。
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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主流产品。
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2 伺服系统相关技术的发展
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伺服驱动技术的发展与磁性材料技术、半导体技术、通信技术、组装技术、生产工艺水平等基础工业技术的发展密切相关。
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磁性材料中，特别是永久磁性材料性能的提高是伺服电机高性能化、小型化所不可缺少的重要条件。以日本安川公司伺服电机产品的磁性材料为例，其磁性材料的磁能积由原来的10MGOe提高到30MGOe，从70年代到90年代的这段时间提高了3倍。
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半导体技术的发展使伺服驱动技术进入了全数字化时期，伺服控制器的小型化指标取得了很大的进步。LSI（大规模集成电路）的精细加工技术以及开关特性的改善使高速开关器件的应用成为主流。IGBT（绝缘栅双极型场效应管）已经发展到了第四代产品，其性能则提高了5倍以上。微处理器（CPU）性能的大幅度增强也使伺服控制器的复杂运算速度和多功能处理能力得以提高，同时也为产品的小型化创造了条件。
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在全数字控制方式下，伺服控制器实现了伺服控制的软件化。现在很多新型的伺服控制器都采用了多种新算法。目前比较常用的算法主要有PID/IPD（比例微分积分/）控制切换、前馈控制、速度实时监控、共振抑制控制、可变增益控制、振动抑制控制、模型规范适应控制、反复控制、预测控制、模型跟踪控制、在线自动修正控制、模糊控制、神经网络控制、H∞控制等。通过采用这些功能算法，可以使伺服控制器的响应速度、稳定性、准确性和可操作性都达到了很高的水平。
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3 伺服系统的应用
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随着市场竞争的日趋激烈，用户对所需产品提出了更高的技术要求和更合理的性能价格比。伺服系统以其出色的性能满足了各种产品制造厂家近乎苛刻的要求，从而能够对产品的加工过程、加工工艺和综合性能进行改造。在机电一体化设备上伺服系统的使用更加广泛，几乎工业生产的所有领域都成为伺服系统的应用对象。表1列出了伺服系统的主要应用领域。
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4.1 伺服电机
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随着永磁材料制造工艺的不断完善，新一代的伺服电机大都采用了最新的Nd2Fe14B1（铷铁硼）材料，该材料的剩余磁密、矫顽力、最大磁能积均好于其他永磁材料，再加上合理的磁极、磁路及电机结构设计，大大地提高了电机的性能，同时又缩小了电机的外形尺寸。新一代的伺服电机大都采用了新型的位置编码器，这种位置编码器的信号线数量从9根减少到5根，并支持增量型和绝对值型两种类型，通信速率达4M/s，通信周期为62.5μs，数据长度为12位，编码器分辨率为20bit/rev，即每转生成100万个脉冲，最高转速达6000r/min，编码器电源电流仅为16μA。
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伺服电机按照容量可以分为超小型（MINI型）、小容量型、中容量型和大容量型。超小容量型的功率范围为10W到20W，小容量型的功率范围为30W到750W，中容量型的功率范围为300W到15KW，大容量型的功率范围为22KW到55KW。伺服电机的供电电压范围从100V到400V（单相/三相）。
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4.2 伺服控制单元
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传统的模拟控制虽然具有连续性好、响应速度快及成本低的优点，但也有难以克服的缺点，如系统调试困难，容易受到环境温度变化的影响而产生漂移，难以实现柔性化设计，缺乏实现复杂计算的能力，无法实现现代控制理论指导下的控制算法等。所以现代伺服控制器均采用全数字化结构，伺服控制系统的主要理论也采用了现代的矢量控制思想，它实现了电流向量的幅值控制和相位控制。
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