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(一)伺服系統(tǒng)綜述1、伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)理

一個(gè)伺服系統(tǒng)的構(gòu)成通常包含受控體(plant)、致動(dòng)器(actuator)、傳感器(sensor)控制器(controller)等幾個(gè)部分。受控體系指被控制的物件。致動(dòng)器包含了馬達(dá)與功率放大器，例如應(yīng)用于伺服系統(tǒng)的特別設(shè)計(jì)馬達(dá)稱之為伺服馬達(dá)(servo motor)，其裝置內(nèi)含位置回授裝置，如光電編碼器(opticalencoder)或是解角器(resolver)。一個(gè)傳統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的組成，伺服驅(qū)動(dòng)器主要包含功率放大器與伺服控制器。結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

圖1-1 伺服系統(tǒng)構(gòu)成主要部分圖

交流伺服系統(tǒng)安照不同的標(biāo)準(zhǔn)具有不同的分類。伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動(dòng)元件劃分，有步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱直流電機(jī))伺服系統(tǒng)、交流電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱交流電機(jī))伺服系統(tǒng)；按控制方式劃分，有開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)等；按反饋比較控制方式劃分，有脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)、幅值比較伺服系統(tǒng)、全數(shù)字伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)有精確度高、豐富的反饋方式、伺服電機(jī)高性能、速度調(diào)節(jié)范圍寬等特點(diǎn)。

1.1伺服運(yùn)動(dòng)控制控制器論述

? ◆開環(huán)系統(tǒng)

圖1-2是開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖，它主要由驅(qū)動(dòng)電路、執(zhí)行元件和被控對(duì)象三大部分組成。由于該系統(tǒng)通常使用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，也沒有加入反饋控制，故精度較低。

圖1-2 開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖

??◆半閉環(huán)系統(tǒng)

半閉環(huán)系統(tǒng)沒有位置反饋，但有速度反饋的私服系統(tǒng)。此類系統(tǒng)只是把伺服電機(jī)的輸出作為反饋，并不能補(bǔ)償機(jī)床等閉環(huán)外的傳動(dòng)誤差，故其精度沒有閉環(huán)高，但由于其易于實(shí)現(xiàn)和調(diào)試，因而得到廣泛使用。如圖1-3所示。

圖1-3 半閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖

??◆?閉環(huán)系統(tǒng)

閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、檢測(cè)單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路和被控對(duì)象5部分組成。其構(gòu)成框圖如圖1-4所示。由于其把檢測(cè)元件安裝在被控對(duì)象上，故其構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)能夠補(bǔ)償電機(jī)和被控對(duì)象之間的誤差，使得該系統(tǒng)精度更高。

圖1-4 閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.2伺服電機(jī)介紹

電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置。按繞組中流過電流的性質(zhì)可分為直流電機(jī)或交流電機(jī)。電機(jī)中主磁場(chǎng)的建立可以是通電繞組產(chǎn)生，也可以是由永磁體產(chǎn)生的。由永磁體建立主磁場(chǎng)的電機(jī)稱為永磁電機(jī)。當(dāng)人們對(duì)電機(jī)的要求不僅限于滿足其驅(qū)動(dòng)性能的靜態(tài)力能指標(biāo)，還有動(dòng)態(tài)的控制性能要求時(shí)，這就屬于伺服電機(jī)的概念，它強(qiáng)調(diào)的是電機(jī)的可控性，如調(diào)速性、能力等，重點(diǎn)關(guān)注的是電機(jī)的各種參數(shù)、運(yùn)行范圍、加(減)速特性、轉(zhuǎn)速和力矩波動(dòng)等精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。因此伺服電機(jī)是電氣伺服系統(tǒng)的核心部件。目前，伺服電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)三大類。

1.3伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)傳感器介紹

伺服系統(tǒng)檢測(cè)環(huán)節(jié)的主要任務(wù)是將被控物理量實(shí)時(shí)感知并將其轉(zhuǎn)換為可用的標(biāo)準(zhǔn)電量。其結(jié)構(gòu)圖如1-5所示。

圖1-5檢測(cè)環(huán)節(jié)的一般結(jié)構(gòu)圖

交流伺服系統(tǒng)中使用的傳感器和傳感技術(shù)就是將與執(zhí)行電機(jī)或控制對(duì)象相關(guān)的電流、速度、位置、加速度、溫度等各種旋轉(zhuǎn)的或直線的機(jī)械、電氣等輸出量反饋給驅(qū)動(dòng)控制器，使之與輸入的命令進(jìn)行比較，驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)這些信息做出決定，發(fā)布指令，指示執(zhí)行電機(jī)完成相應(yīng)動(dòng)作。

按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)可以把用于伺服系統(tǒng)的傳感器大致分為位置傳感器和速度傳感器加速度傳感器、電流傳感器等。其中，可以用來檢測(cè)系統(tǒng)行進(jìn)的位置的位置傳感器有光電位置傳感器件(PSD)、電耦合器件(CCD)、光纖傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵傳感器、磁尺(磁柵)傳感器等；用來檢測(cè)系統(tǒng)的行進(jìn)速度的速度傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、脈沖編碼器、光電傳感器件等。

2、伺服控制系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

機(jī)器人電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

對(duì)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，要求有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。伺服電動(dòng)機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時(shí)過載能力。這是伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的先決條件。

2.1機(jī)器人對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要要求

1．快速性。電動(dòng)機(jī)從獲得指令信號(hào)到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)短。

2．起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大。在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。

3．控制特性的連續(xù)性和直線性。

4．調(diào)速范圍寬。能使用于 1：1000～10000 的調(diào)速范圍。

5．體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。

6．能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時(shí)間內(nèi)承受過載。

2.2電機(jī)分類和傳感部分

1．交流伺服電動(dòng)機(jī)。

2．直流伺服電動(dòng)機(jī)。

3．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

速度傳感器多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器；位置傳感器多用光電碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器。近年來，國外機(jī)器人制造廠家已經(jīng)在使用一種集光電碼盤及旋轉(zhuǎn)變壓器功能為一體的混合式光電位置傳感器，伺服電動(dòng)機(jī)可與位置及速度檢測(cè)器、制動(dòng)器、減速機(jī)構(gòu)組成伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求傳動(dòng)系統(tǒng)間隙小、剛度大、輸出扭矩高以及減速比大。

2.3工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成

工業(yè)機(jī)器人電動(dòng)伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三個(gè)閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。其驅(qū)動(dòng)原理圖如圖2-1所示。特點(diǎn)有：驅(qū)動(dòng)器能夠滿足各種工程的要求；它能夠靈活、方便地接受控制器的控制指令，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、位置和速度的控制；能夠進(jìn)行頻繁地起、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)切換等重復(fù)運(yùn)行；具有良好的穩(wěn)定性，并能對(duì)控制指令實(shí)行快速響應(yīng)；運(yùn)動(dòng)部件的慣量應(yīng)盡可能小些；要求整體裝置體積小、重量輕。

圖2-1?工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

3、伺服控制系統(tǒng)及其應(yīng)用的發(fā)展綜述

3.1交流伺服系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.伺服電機(jī)。目前由于新材料的發(fā)展，使得伺服電機(jī)正在朝著超小、和極大方向發(fā)展。加上更先進(jìn)位置編碼器的使用，提高了其通信效率。整體性能大大提升。

2.伺服控制器。由于傳統(tǒng)的模擬控制存在系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy、易產(chǎn)生漂移、不易復(fù)雜計(jì)算，無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制算法等缺點(diǎn)，隨著伺服系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬控制逐步為采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，伺服控制系統(tǒng)以現(xiàn)代矢量控制思想實(shí)現(xiàn)了電流向量的幅值控制和相位控制的現(xiàn)代伺服系統(tǒng)取代。

3.上位機(jī)系統(tǒng)。隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的提高，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于機(jī)械化設(shè)備的高速度、高精度和小型化的要求越來越高，因此上位機(jī)控制群的應(yīng)用越來越廣泛

3.2交流伺服系統(tǒng)發(fā)展方向

1.數(shù)字化。隨著數(shù)字技術(shù)和微處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，以模擬電子器件為主的伺服控制單元將會(huì)被采用全數(shù)字處理器的伺服控制單元全面取代，從而實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)全數(shù)字化。在伺服控制方面將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖刂?#xff0c;以便在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的控制方法。

2.高集成化。下一代伺服系統(tǒng)將采用高集成化的多功能控制單元。對(duì)每一個(gè)控制單元，均可以通過軟件對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置，以改變伺服系統(tǒng)的性能適應(yīng)不同用戶的需求，既可以使用內(nèi)置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過接口連接外部傳感器構(gòu)成全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

3.智能化。智能化是目前自動(dòng)控制的一個(gè)發(fā)展方向，因此伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)智能化是一種必然趨勢(shì)。最新伺服控制單元的智能化特點(diǎn)主要有：①參數(shù)記憶功能；②故障自查與分析功能；③參數(shù)自整定的功能。新一代的伺服單元能夠通過試運(yùn)行自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)整定和優(yōu)化。

4.模塊化和網(wǎng)絡(luò)化。為適應(yīng)工廠自動(dòng)化的迅猛發(fā)展，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信及局域網(wǎng)接口。以便增強(qiáng)伺服單元與其它控制設(shè)備的互聯(lián)能力。

4、對(duì)于伺服系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)

通俗的來講，伺服系統(tǒng)就是一個(gè)伺服電機(jī)加一個(gè)能夠控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，其目的在于精確的控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。變頻技術(shù)的發(fā)展為電機(jī)調(diào)速提供了實(shí)用技術(shù)，而伺服則是在變頻技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的更進(jìn)一步的產(chǎn)品。通過速度和位置的反饋閉環(huán)控制使得伺服系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性得到了很大的提高，既可以完成精度要求極其苛刻的工作，也可以在低速的狀態(tài)下保證功率和轉(zhuǎn)矩，滿足各種工業(yè)生產(chǎn)的需求。由于國內(nèi)的人口紅利的降低和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，未來工業(yè)的發(fā)展對(duì)自動(dòng)化裝備的需求越來越大，而伺服系統(tǒng)是整個(gè)自動(dòng)化裝備的基本支撐，對(duì)伺服電機(jī)的控制效果決定著整個(gè)自動(dòng)化裝備的水平的高低。伺服驅(qū)動(dòng)器的控制策略和電力電子調(diào)速技術(shù)、伺服電機(jī)的發(fā)展是伺服系統(tǒng)發(fā)展的核心。作為自動(dòng)化專業(yè)人才，在研究方面應(yīng)該著力于研究更好的電力電子調(diào)速技術(shù)以及結(jié)合控制理論開發(fā)出更好的控制策略；在應(yīng)用方面應(yīng)該結(jié)合伺服技術(shù)開發(fā)出更加符合生產(chǎn)需要、更加高效、更加友好使用的自動(dòng)化裝備。

(二)伺服電機(jī)分類

1．按工作電源種類劃分：可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。?

1.1直流電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：無刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)。?
1.1.1有刷直流電動(dòng)機(jī)可劃分：永磁直流電動(dòng)機(jī)和電磁直流電動(dòng)機(jī)。?　　
1.1.1.1電磁直流電動(dòng)機(jī)劃分：串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。?　　
1.1.1.2永磁直流電動(dòng)機(jī)劃分：稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)、鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)和鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī)。?　　
1.2其中交流電機(jī)還可分：單相電機(jī)和三相電機(jī)。?　　

2．按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分：可分為直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)。?　

2.1同步電機(jī)可劃分：永磁同步電動(dòng)機(jī)、磁阻同步電動(dòng)機(jī)和磁滯同步電動(dòng)機(jī)。?
2.2異步電機(jī)可劃分：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和交流換向器電動(dòng)機(jī)。?　　
2.2.1感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可劃分：三相異步電動(dòng)機(jī)、單相異步電動(dòng)機(jī)和罩極異步電動(dòng)機(jī)等。
2.2.2交流換向器電動(dòng)機(jī)可劃分：單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)、交直流兩用電動(dòng)機(jī)和推斥電動(dòng)機(jī)。

3．按起動(dòng)與運(yùn)行方式劃分：電容起動(dòng)式單相異步電動(dòng)機(jī)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī)、電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī)和分相式單相異步電動(dòng)機(jī)。?　

　4．按用途劃分：驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和控制用電動(dòng)機(jī)。?

4.1驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)劃分：電動(dòng)工具(包括鉆孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴(kuò)孔等工具)用電動(dòng)機(jī)、家電(包括洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、電冰箱、空調(diào)器、錄音機(jī)、錄像機(jī)、影碟機(jī)、吸塵器、照相機(jī)、電吹風(fēng)、電動(dòng)剃須刀等)用電動(dòng)機(jī)及其它通用小型機(jī)械設(shè)備(包括各種小型機(jī)床、小型機(jī)械、醫(yī)療器械、電子儀器等)用電動(dòng)機(jī)。

4.2控制用電動(dòng)機(jī)又劃分：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)等。?　

　5．按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)劃分：籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(舊標(biāo)準(zhǔn)稱為鼠籠型異步電動(dòng)機(jī))和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(舊標(biāo)準(zhǔn)稱為繞線型異步電動(dòng)機(jī))。?

　　6．按運(yùn)轉(zhuǎn)速度劃分：高速電動(dòng)機(jī)、低速電動(dòng)機(jī)、恒速電動(dòng)機(jī)、調(diào)速電動(dòng)機(jī)。

低速電動(dòng)機(jī)又分為齒輪減速電動(dòng)機(jī)、電磁減速電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)和爪極同步電動(dòng)機(jī)等。

調(diào)速電動(dòng)機(jī)除可分為有級(jí)恒速電動(dòng)機(jī)、無級(jí)恒速電動(dòng)機(jī)、有級(jí)變速電動(dòng)機(jī)和無級(jí)變速電動(dòng)機(jī)外，還可分為電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)、直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)、PWM變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)。?

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與負(fù)載大小無關(guān)而始終保持為同步轉(zhuǎn)速。

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總結(jié)

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