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伺服與伺服系統(tǒng)
點擊次數(shù)：2984 發(fā)布時間：2010-8-24
1.關(guān)于伺服
1.1 名詞
“伺服”—詞源于希臘語“奴隸”的意思 。人們想把“伺服機(jī)構(gòu)”當(dāng)個得心應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。在訊號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動;訊號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動;當(dāng)訊號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名—伺服系統(tǒng)。
1.2 定義
（1）伺服系統(tǒng)—是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)值（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。
（2）在自動控制系統(tǒng)中，使輸出量能夠以一定的準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)，亦稱伺服系統(tǒng)。
伺服的主要任務(wù)是按控制命令的要求，對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力距、速度和位置控制得非常靈活方便。
1.3 伺服系統(tǒng)的組成
伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。它由位置檢測部分、誤差放大部分、執(zhí)行部分及被控對象組成。
1.4伺服系統(tǒng)的性能要求
伺服系統(tǒng)必須具備可控性好，穩(wěn)定性高和速應(yīng)性強(qiáng)等基本性能。說明一下，可控性好是指訊號消失以后，能立即自行停轉(zhuǎn);穩(wěn)定性高是指轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)距的增加而均勻下降;速應(yīng)性強(qiáng)是指反應(yīng)快、靈敏、響態(tài)品質(zhì)好。
1.5 伺服系統(tǒng)的種類
通常根據(jù)伺服驅(qū)動機(jī)的種類來分類，有電氣式、油壓式或電氣—油壓式三種。
伺服系統(tǒng)若按功能來分，則有計量伺服和功率伺服系統(tǒng);模擬伺服和功率伺服系統(tǒng);位置伺服和加速度伺服系統(tǒng)等。
電氣式伺服系統(tǒng)根據(jù)電氣信號可分為DC直流伺服系統(tǒng)和AC交流伺服系統(tǒng)二大類。AC交流伺服系統(tǒng)又有異步電機(jī)伺服系統(tǒng)和同步電機(jī)伺服系統(tǒng)兩種。
這里只討論電氣式伺服系統(tǒng)中的一種—交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)。
2. 交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)
2.1 AC伺服系統(tǒng)
電氣伺服技術(shù)應(yīng)用zui廣，主要原因是控制方便，靈活，容易獲得驅(qū)動能源，沒有公害污染，維護(hù)也比較容易。特別是隨著電子技術(shù)和計算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，它為電氣伺服技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景。
早在70年代，小慣量的伺服直流電動機(jī)已經(jīng)實用化了。到了70年代末期交流伺服系統(tǒng)開始發(fā)展，逐步實用化，AC伺服電動機(jī)的應(yīng)用越來越廣,并且還有取代DC伺服系統(tǒng)的趨勢成為電氣伺服系統(tǒng)的主流。 永磁轉(zhuǎn)子的同步伺服電動機(jī)由于永磁材料不斷提高，價格不斷下降，控制又比異步電機(jī)簡單，容易實現(xiàn)高性能的緣故，所以永磁同步電機(jī)的AC伺服系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛。
目前，在交流同步伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，普通應(yīng)用的交流永磁同步伺服電動機(jī)有兩大類。
一類稱為無刷直流電動機(jī)，它要求將方波電流直入定子繞組（BLDCM）
另一類稱為三相永磁同步電動機(jī)，它要求輸入定子繞組的電源仍然是三相正弦波形。（PM•SM）
無刷直流電動機(jī)（BLDCM），用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動機(jī)的定子磁極，將原直流電動機(jī)的電樞變?yōu)槎ㄗ印Ｓ兴⒅绷麟妱訖C(jī)是依靠機(jī)械換向器將直流電流轉(zhuǎn)換為近似梯形波的交流電流供給電樞繞組，而無刷直流電動機(jī)（BLDCM）是將方波電流（實際上也是梯形波）直接輸入定子。將有刷直流電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子顛倒一下，并采用永磁轉(zhuǎn)子，就可以省去機(jī)械換向器和電刷，由此得名無刷直流電動機(jī)。 BLDCM定子每相感應(yīng)電動勢為梯形波，為了產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，要求功率逆變器向BLDCM定子輸入三相對稱方波電流，而SPWM、PM、SM定子每相感應(yīng)電動勢為近似正弦波，需要向SPWM、PM、SM定子輸入三相對稱正弦波電流。
永磁同步電機(jī)的磁場來自電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上的*磁鐵，*磁鐵的特性在很大程度上決定了電機(jī)的特性，目前采用的永磁材料主要有鐵淦氧，鋁鎳鈷，釹鐵硼以及SmCO5 Sm2CO17.
在轉(zhuǎn)子上安裝永磁鐵的方式有兩種。一種是將成形*磁鐵裝在轉(zhuǎn)子表面，即所謂外裝式；另一種是將形成*磁鐵埋入轉(zhuǎn)子里面，即所謂內(nèi)裝式。*磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種。
根據(jù)確定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的每相勵磁磁動勢的分布不同，三相永磁同步電動機(jī)可分為兩種類型：正弦波型和方波型永磁同步電機(jī)，前者每相勵磁磁動勢分布是正弦波狀，后者每相勵磁磁動勢分布呈方波狀，根據(jù)子路結(jié)構(gòu)和永磁體形狀的不同而不同。對于徑向勵磁結(jié)構(gòu)，永磁體直接面向均勻氣隙，如果采用系統(tǒng)永磁材料，由于稀土永磁的取向性好，可以方便的獲得具有較好方波形狀的氣隙磁場。對于采用非均勻氣隙或非均勻磁化方向長度的永磁體的徑向勵磁結(jié)構(gòu)，氣隙磁場波形可以實現(xiàn)正弦分布。
綜上所述兩類永磁AC同步伺服電動機(jī)的差異歸納如下:：
控制原理相似，給定指令信號加到AC伺服系統(tǒng)的輸入端，電動機(jī)軸上位置反饋信號與給定位置相比較，根據(jù)比較結(jié)果控制伺服的運動，直至達(dá)到所要求的位置為止。PM、SM和BLDCM二類伺服系統(tǒng)構(gòu)成的基本思路是一致的。
兩種永磁無刷電動機(jī)比較而言，方波無刷直流電動機(jī)具有控制簡單、成本低、檢測裝置簡單、系統(tǒng)實現(xiàn)起來相對容易等優(yōu)點。但是方波無刷直流電動機(jī)原理上存在固有缺陷，因電樞中電流和電樞磁勢移動的不連續(xù)性而存在電磁脈動，而這種脈動在高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生噪聲，在中低速又是平穩(wěn)的力矩驅(qū)動的主要障礙。轉(zhuǎn)矩脈動又使得電機(jī)速度控制特性惡化，從而限制了由其構(gòu)成的方波無刷直流電動機(jī)伺服系統(tǒng)在高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動場合下的應(yīng)用（尤其是在低速直接驅(qū)動場合）。因此，對于一般性能的電伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)，選用方波無刷直流電動機(jī)及相應(yīng)的控制方式。而PM、SM伺服系統(tǒng)要求定子輸入三相正弦波電流，可以獲得更好的平穩(wěn)性，具有更*的低速伺服性能。因而廣泛用于數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人等高性能高精度的伺服驅(qū)動系統(tǒng)中。
3. 伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程
伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程,電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動電機(jī)類型分為直流（DC）伺服系統(tǒng)和交流（AC）伺服系統(tǒng)。交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動電機(jī)類型又可分為永磁同步（SM型）電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步（IM型）電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)。
由于直流伺服電動機(jī)存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 維修工作量大包括電刷、換向器等則成為直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸。隨著微處理技術(shù)、大功率電力電子技術(shù)的成熟和電機(jī)永磁材料的發(fā)展和成本降低, 交流伺服系統(tǒng)得到長足發(fā)展并將逐步取代直流伺服系統(tǒng)。
1990年以前，由于技術(shù)成本等原因，國內(nèi)伺服電機(jī)以直流永磁有刷電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)為主，而且主要集中在機(jī)床和國防軍工行業(yè)。1990年以后，進(jìn)口永磁交流伺服電機(jī)系統(tǒng)逐步進(jìn)入中國，此期間得益于稀土永磁材料的發(fā)展、電力電子及微電子技術(shù)日新月異的進(jìn)步，交流伺服電機(jī)的驅(qū)動技術(shù)也很快從模擬式過渡到全數(shù)字式。由于交流伺服電機(jī)的驅(qū)動裝置采用了先進(jìn)全數(shù)字式驅(qū)動控制技術(shù)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)整方便，產(chǎn)品生產(chǎn)的一致性可靠性增加，同時可集成復(fù)雜的電機(jī)控制算法和智能化控制功能，如增益自動調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)通訊功能等，大大拓展了交流伺服電機(jī)的適用領(lǐng)域；另外隨著各行業(yè)，如機(jī)床、印刷設(shè)備、包裝設(shè)備、紡織設(shè)備、激光加工設(shè)備、機(jī)器人、自動化生產(chǎn)線等，對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求不斷提高，這些領(lǐng)域?qū)涣?strong>伺服電機(jī)的需求將迅猛增長，交流伺服將逐步替代原有直流有刷伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。
正弦波交流伺服系統(tǒng)綜合了伺服電動機(jī)、角速度和角位移傳感器的成就，與采用新型電力電子器件、集成電路和控制算法的交流伺服驅(qū)動器相匹配，組成新型高性能機(jī)電一體化產(chǎn)品。使原有的直流伺服系統(tǒng)面臨淘汰的危機(jī)，成為當(dāng)今世界伺服驅(qū)動的主流及發(fā)展方向。正弦波交流伺服廣泛使用于航空、航天、兵器、船舶、電子及核工業(yè)等領(lǐng)域，如自行火炮、衛(wèi)星姿態(tài)控制、雷達(dá)驅(qū)動、機(jī)載吊艙定位系統(tǒng)、戰(zhàn)車火控及火力系統(tǒng)、水下滅雷機(jī)器人等。
4.伺服電機(jī)的應(yīng)用
松下交流伺服電機(jī)（AC Servo） A4系列
4.1. 快速使用
電機(jī)運轉(zhuǎn)必須的三根電纜：動力電纜；電機(jī)動力線，電機(jī)編碼器線。
控制線接口X5：
伺服使能必須接的引腳：DC24V電源（7,41） 伺服使能SRV-ON（29）
控制信號：位置控制-----（脈沖方向輸入3，4，5，6）
速度控制-----（模擬量輸入14，15 0到±10V）
扭矩控制------（模擬量輸入 14,15）
其他輔助控制功能：
10點輸入：①伺服使能②模式選擇③增益切換④報警清除。。。
6點輸出： ①報警（ALM）②準(zhǔn)備（S-RDY）③制動器釋放（BRK-OFF）④零速檢測（ZSP）⑤轉(zhuǎn)矩控制TLC。。。⑥定位完成或者速度到達(dá)。
它比步進(jìn)系統(tǒng)就多了一個編碼器反饋，構(gòu)成了一個閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)然這個閉環(huán)僅僅是相對而言。伺服系統(tǒng)現(xiàn)在逐漸取代了步進(jìn)系統(tǒng)，所以大家會逐漸熟悉。