伺服控制系统

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1、现代伺服控制系统综述1.引言随着社会的发展，伺服控制系统在现代社会的作用就越来越大，运用范围也越来越广。 从最开始的主要运用与军事方面到工业的方方面面都离不开伺服控制系统。伺服系统最初 是用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车 床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。因为伺服控制系统在整个社会发展中的地位越来越重要，这就要求我们当代的自动化 专业的大学生对现代伺服控制系统要有一个更加深入的认识和研究。我们主要可以去了解 控制策略、控制方法、系统设计（包括交直流伺服、数控、视觉伺服、液压伺服、.气动伺 服、机器人伺服等系统）、伺服电动机（包括永磁同步电机、步进

2、电机、直线电机、开关磁 阻电机等电机的设计、新原理、新材料、新结构和电机磁场与性能分析及软件分析平台）、 伺服控制前沿技术、行业信息、应用案例、伺服器件、传感器、工业通信、新产品等关于 伺服控制系统的知识，从我们个人的发展上来说，伺服控制系统是一个自动化专业学生大 有发展的行业，从整个国家来说，我们国家的发展很需要我们专业的学生对伺服控制系统 有一个更加深入的了解和研究。所以我在这里简单地介绍一下我对伺服控制系统的认识和 见解。2.伺服运动控制系统简介2.1 概念用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统称为伺服控制系统。又称随动系统。在很多情况下， 伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械

3、位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使 输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈 控制系统没有原则上的区别。2.2 指标要求（1）系统精度要高伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度 ,以误差的形式表现 ,可概 括为动态误差,稳态误差和静态误差三个方面组成。在伺服控制系统中一般系统精度越高 越好。（2）稳定性要好伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后 ,系统能够恢复到原来稳定状 态的能力;或者当给系统一个新的输入指令后,系统达到新的稳定运行状态的能力，在实际 运用中我们希望系统的这一能力越强越好。（3）响应速度要快

4、响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度 ,决定了系统的工作效率 .响应 速度与许多因素有关,如计算机的运行速度,运动系统的阻尼和质量等。在生产运用中我们 希望响应速度是越快越好。(4) 工作频率范围要宽工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围 .当工作频率信号输入时 ,系统能够 按技术要求正常工作;而其它频率信号时，体统不能正常工作。根据我们的实际需求我们 希望一个系统的工作频率的范围要比较宽，这样才能将伺服控制系统用于实际生产。2.3 体系架构2.3.1 分类伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统，机电伺服 系统又分步 进式伺服系统、直流电动 机

5、 (简称直 流电机 )伺服 系统、交流电动机 (简称 交流电机 )伺服系统。按 控制方式划分，有开环 伺服系统、闭环伺服系统 和半闭环伺 服系统等。( 1 ) 开环系统它主要由驱动 电路，执行元件和机床 3 大部分组成。常用的执行元件是步进电机 ， 通常称以步进 电机作为执行元件的开环系统为 步进式伺服系统，在这种系 统中，如果 是大功率驱动 时，用步进电机作为执行元件 。驱动电路的主要任务是将 指令脉冲转化 为驱动执行元 件所需的信号。( 2 ) 闭环系统闭环系统主要 由执行元件、检测单元、比较环 节、驱动电路和机床 5 部分组成 。 在闭环系统中 ，检测元件将机床移动部件 的实际位置检测出

6、来并转换成 电信号反馈给 比较环节 。常见的检测元件有旋 转变压器、感应同 步器、光栅 、磁栅和编码盘等 。通 常把安装在丝 杠上的检测元件组成的伺服系统 称为半闭环系统；把安装 在工作台上的 检测元件组成 的伺服系统称为闭环系统。 由 于丝杠和工作台之间传动误差 的存在，半 闭环伺服系统 的精度要比闭环伺服系统的精度 低一些。比较环节的作用 是将指令信号 和反馈信号进 行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差 ，经驱动电路 ，控制执行 元件带动工作 台继续移动， 直到跟随误差为 零。根据进入比较环节信号 的形式以及反 馈检测方式 ，闭环(半闭环)系统可分为脉冲 比较伺服系统、相位比较伺 服系

7、统和幅值 比较伺服系 统 3 种。2.3.2伺服的三个环控制伺服一般为三个环控制，所谓三环就是 3个闭环负反馈PID调节系统。最内的 PID环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内 部进行，通过霍尔装置检 测驱动器给电 机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定 进行PID调节，从而达到输出电流尽量接 近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小， 动态响应最快。第2环是速度环，通过检测的电机编码 器的信号来进行负反 馈PID调节，它的环 内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和 电流环，换 句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在

8、速度和位置控制的同时 系统实际也在 进行电流（转矩）的控制以达到 对速度和位置的相应控制。第3环是位置环，它是最外环，可以在驱动器和电机编码器间构建 也可以在外部 控制器和电机编码器或最终负载间构建，要根据实际情况来定。由于位置控制环内部 输出就是速度环的设定，位置控制模式下系 统进行了所有3个环的运算，此时的系统 运算量最大，动态响应速度也最慢。3伺服控制系统与运动控制系统的区别运动控制系统主要是指运动单元以非常准确的设定速度在规定的时间到达准确位置 的可控运动。在运动控制系统你中主要以速度、位置等为被控量，被控对象主要是直流电 动机，一般以电流和速度作为系统的反馈检测量。运动控制系统中包含

9、了伺服控制系统这 一类别。而伺服控制系统中主要以位置或位移作为被控量，被控对象主要是交流电动机， 一般以电流、速度和位移作为反馈检测量。4.现代伺服控制系统的发展趋势现代伺服控制系统以交流伺服系统为主，在这里主要谈谈交流伺服系统。现代交流伺 服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比如换相、电流、速 度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服专用模块（比如 IR推出的伺服控制专用引擎）也不足为奇。国际厂商伺服产品每5年就会换代，新的功率 器件或模块每22.5年就会更新一次，新的软件算法则日新月异，总之产品生命周期越 来越短。总结国内外伺服厂家的技

10、术路线和产品路线，结合市场需求的变化，可以看到以 下一些最新发展趋势。其一，服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性及时变性的“系统”，同时伺服对 象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时受到不同程度的干扰，因此按常规控 制策略很难满足高性能伺服系统的控制要求。为此，如何结合控制理论新的发展，引进一 些先进的“复合型控制策略”以改进“控制器”性能是当前发展高性能交流伺服系统的一 个主要“突破口”。其二，电动机、反馈、控制、驱动、通讯的纵向一体化成为当前小功率伺服系统的一 个发展方向。有时我们称这种集成了驱动和通讯的电机叫智能化电机 （Smart Motor） ，有 时我们把集成了运动控制和

11、通讯的驱动器叫智能化伺服驱动器。电机、驱动和控制的集成 使三者从设计、制造到运行、维护都更紧密地融为一体。但是这种方式面临更大的技术挑 战（如可靠性）和工程师使用习惯的挑战，因此很难成为主流，在整个伺服市场中是一个很 小的有特色的部分。其三，实现其通用化通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能，便于用户在 不改变硬件配置的条件下,方便地设置成 V/F 控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁 通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式，适用于各种场合， 可以驱动不同类型的电机，比如异步电机、永磁同步电机、无刷直流电机、步进电机，也 可以适应不同的传感器类型甚至无位置传感器

12、。可以使用电机本身配置的反馈构成半闭环 控制系统，也可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度全闭环控制系统其四，实现其网络化和模块化，随着机器安全标准的不断发展，传统的故障诊断和保 护技术（问题发生的时候判断原因并采取措施避免故障扩大化）已经落伍，最新的产品嵌 入了预测性维护技术，使得人们可以通过 Internet 及时了解重要技术参数的动态趋势， 并采取预防性措施。比如：关注电流的升高，负载变化时评估尖峰电流，外壳或铁芯温度 升高时监视温度传感器，以及对电流波形发生的任何畸变保持警惕。综上所述，随着微电子、计算机、电力半导体和电机制造技术取得巨大技术进步，永 磁交流伺服系统也将具

13、有更加美好的发展前景。5.对伺服控制系统的认识 在这里我也不具体谈伺服控制系统的某项技术或某方面的内容，我就大概总结一下我对伺 服控制系统现状的一些看法。自20世纪80年代后期以来，随着现代工业的快速发展，对作为工业设备的重要驱动 源之一的伺服系统提出了越来越高的要求，研究和发展高性能交流伺服系统成为国内外同 仁的共识。有些努力已经取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作电机材料的 性能，改进电机结构，提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向和努力。“软形式” 上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。如采用“卡尔曼滤波法” 估计转子转速和位置的“无速度传感器化”；采用高性

14、能的永磁材料和加工技术改进PMSM 转子结构和性能，以通过消除/削弱因齿槽转矩所造成的PMSM转矩脉动对系统性能的影响； 采用基于现代控制理论为基础的具有将强鲁棒性的滑模控制策略以提高系统对参数摄动 的自适应能力；在传统PID控制基础上进入非线性和自适应设计方法以提高系统对非线性 负载类的调节和自适应能力；基于智能控制的电机参数和模型识别，以及负载特性识别。对于发展高性能交流伺服系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形式”存在的伺服 电机、逆变器以相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因数的制约；而以“软形式” 存在的控制策略具有较大的柔性，近年来随着控制理论新的发展，尤其智能控制的兴起和 不

15、断成熟，加之计算机技术、微电子技术的迅猛发展，使得基于智能控制的先进控制策略 和基于传统控制理论的传统控制策略的“集成”得以实现，并为其实际应用奠定了物质基 础。伺服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性及时变性的“系统”，同时伺服对象也 存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时受到不同程度的干扰，因此按常规控制策 略很难满足高性能伺服系统的控制要求。为此，如何结合控制理论新的发展，引进一些先 进的“复合型控制策略”以改进“控制器”性能是当前发展高性能交流伺服系统的一个 主要“突破口”。21世纪是一个崭新的世纪，也定将是各项科学技术飞速发展的世纪。相信随着材料技 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 艺水平的逐步提高，同时伴随着制造业的不断升级和“柔性制造技术”的快速发展，必将 为“柔性加工和制造技术”的核心技术之一的“伺服驱动技术”迎来又一大好的发展时 机。