现代伺服系统综述

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1、理论广角2014年1月（下）现代伺服系统综述田江丽1李攀2（济源积坠技术学呢，河南济源4590CO）AK：槪述现伏例服系規.对佃服承疑一叙性绘构及各弾分的现状与发展进行说明.着*介绍络搀口轡能型佃服系城，分析伺服系境的发展也势。关锋谒：佝服承悅；同络伺履系扯；发展雄势3003001引言伺服系统也叫位置随动系统，以精确运动控制和力能输出为目的，综合运用机电能凤变换与甕动控制技术.检测技术、自动控制技术、计算机控制技术等.实现精确驱动与系统控制。它的根本任务是实现执行机械对位置指令的准确跟踪。伺眼系统主要包括电机和驱动器两部分，广泛用于航空、航天、国防及工业自动化等自动控制领域。随着电力电子、控制

2、理论.汁算机术等技术的快速发展以及电机制造工艺水平的不断提离.伺服系统近年来获得了迅速发展。2伺服系统一般性结构及各部分的现状与发展机电一体化的伺眼系统结构类型繁多,其系统一般包括被控对象、驱动器、控制器、执行环节、检测环节寺五部分。被控对彖系指被控制的物休；驱动器的功能在于主要提供被控对象的动力.目前绝大多数伺服系统采用电力骆动方式，驱动器包含了电机与功率放大器；控制器的功施在于提供整个伺服系统的闭环控制，如校矩控制.速度控制和位置控制等；执行环节的作用是按控制借号的要求.将输入的各种形式的能ft转化成机械能，驭动被控对敷工作；检测至统实时地对被测对象的运动参数进行检测和数据处理。2驱动执行

3、环节。伺服系统按其驱动执行元件划分，冇步进式何服系统、直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统。在闭环或半闭环控制的伺服系统中.主要采用直流伺眼电动机、交流伺服电动机或伺服阀控制的蔽压伺眼马达作为执行元件。液压伺服马达主要用在负载较大的大应何服系统中,在中.小型伺服系统中.则多数采用直流或交流伺眼电动机。近年来由于交流伺服技术的发展，使交流伺服电动机可以获得与宜流伺服电动机相近的优良性能，而且交流伺服电动机无电刷磨损问题.维修方便，随着价格的逐年降低，正在得到越来越广泛的应用。2.2检测系统。检测系统暹伺服控制系统的重要组成部分。若以信息流的过程来划分.现代检側系统的各个组成可分为：信息的获取部

4、分（传感器）、信息的转换.信息的传输部分（通信）、信总的处理和输出部分。其中.用来获取信息的传感器或敏感元件是第一个环节。对于运动控制系统而宵，传感器感受被测物理最.并将其转换为电信号。在伺眼系统中.检测系统为例完成所需求的功能，需要将传感器输出的信号作进一步的转换，即变换成适合于测址并且要求它应当保存着原始信号中所包含的全部信息完成这样功能的环节称为信息转换单元。随着微电子技术的发展，将传感器与倍号调理电路集成为一体化的芯片已经出现。目前新型的传感器件主要有光电位蜀传感器（PSD）、电荷耦合器件（CCD）、光纤传感器、集成传感器、化学传感器、生物传感器、薄膜传感器、机器人传感器，它们具有检测

5、范屈广、灵敏度高、精度高、响应速度权及互换性好等待点。2.3控制器。控制器是伺服系统的垓心押能运算和控制m元。现代伺服运动控制系统通常包括位置环、转速环和电流环三个闭环。这种三闭环结构是现代伺服系统的经典结构。目前伺服控制系统的控制器主要选用4种类S1L通用微处理器，如单片机、D5P.嵌入式微处理器；运动控制专用PLC系统；专用数控系统；PC+运动控制板卡。随着信息.通讯与自动化技术的发展.人们借助于新式的网络通讯技术与计算功能强大的数字借号处理器芯片（DSP）,可以开展出多种具有基本智能的信息家电设备，例如可以帮助清洁工作的机器人、可供娱乐的电子机械宠物等等。这些结合机械、电子、通讯、控制、

6、信息技术融合装置的核心部分就是具有网络界面的伺服系统控制器。随看网络通讯技术的进步.采用实时网络通讯技术的伺服系统也随之发展。目前已有多种采用不同通讯协议的分布式运动控制系统，如SERCOS、Real-TimeEthernetxReal-TimeCANbu“应用高速网络技术于分布式何服系统有许多优点.诸如更灵活的系统应用.更佳的系统整合控制效來等爭。以太网在运动控制领域应用的最大障碍是其如何克眼在实时性能上天生的缺陷.保障购定性所需的额外硬件成本，星型网络拓扑的局限性及待定的实施是否能提供互操作性的问题。FireWire（IEEE-1394）作为运动控制联网协议的基础.其拥护者已经设立IEEE

7、-1394标准，内建确定性的FireWire标准芯片集支持实时应用。DSP是一种具有强大计算能力的微处理器。但值得注意的是.单芯片微控器已广泛应用于工业控制领域。但近年来.已发度出特别针对伺服电机控制的单芯片DSP控制器.例如徳州仪器的TMS320F24xx.TMS320F2812等等.不仅计算性能强大、具备电机控制所需要的0界面.同时价格也相当便宜，因此直接带动了以DSP为核心的DSP数字电机控制技术的发展。在工业控制的应用领域，如机器人控制、磁盘驱动器与光驱的控制、何服控制等采用DSP来实现数字控制器的主要若IR点在于其快速的计算能力。由于DSP的快速计算能力，可以实现具有适应能力的伺眼系

8、统.采用DSP来实现希要复杂if算的数字控制系统，以达到离性能控制系统的需求将成为未来的发展趙势。3. 伺服系统的发展趋势3交流化。目前国际市场上，几乎所有的新产品都是交流伺服系统.其中Kollmorgen公司的金系列哦表了当代永磁交流伺眼技术的最新水平.在国内生产交流伺服电机厂家也越来越多。3.2智能化。智能化待点表现在以下几个方面:首先他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式用软件来设置，保存在伺服瑕元内部通过通信接口，这些参数可以在运行途中由上位计算机加以修改；其次它们祁具有故障自诊断与分析功能.当系统出现故障.它会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界淸

9、楚显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性；冇的伺服系统还具冇参数自整定的功能。3.3小锻化。冃前.伺服系统-般将整个控制回路装在一台现场仪表里.将伺服电机.现场仪表控制器安装为一体。伺服系统一体化.使得它的安装与调试工作都得到了简化；将整个投制回路装在一台现场仪表里.又减少了闵信号传输中的泄fit和干扰尊因索对系统的影响.提高了系统的可靠性。而且总新熨的伺服控制系统己经开始使用智能控制功率模块1PM.这种器件将输入隔离、能耗制动、过温.过6过流保护及故障诊断等功能全部集成在一个不大的模块之中。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺眼系统的小型化和微型化。34网络化。国际上以工业局域网技

10、术为基础的工厂自动化工程技术在最近十年来得到了长足的发展.为适应这一发展趋势，交流伺服系统也应具花标准的申行通信接口（如RS-232）和专用的局域网接口.以增强其与其它控制设备间的互联能力，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台、甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。现场总线企业网作为今后控制系统的发展方向，以其所具有的开放性.网络化等优点，使它与1NTRENET的结合成为可能.现在许多最新的伺瓯产品都具有现场总线接口。4. 结语相倍随着材料技术.电力电子技术.控制理论技术、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提奇.伺服系统必将获得更加的快速发展，智能化.网络化的交流伺眼系统正成为现代伺服领域研究的热点.具有网络接口智能型伺眼控制芯片是一个值得投入研发的0域。300