伺服系統(tǒng)在機電設備中的應用分析

馮 泉 高 麒

摘要:伺服系統(tǒng)在機電設備中具有重要的地位,高性能的伺服系統(tǒng)可以提供靈活、方便、準確、快速的驅(qū)動。隨著技術(shù)的進步和整個工業(yè)的不斷發(fā)展,伺服驅(qū)動技術(shù)也取得了極大的進步,伺服系統(tǒng)已進入全數(shù)字化和交流化的時代。拖動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用交流伺服驅(qū)動取代傳統(tǒng)的液壓、直流、步進和AC變頻調(diào)速驅(qū)動,以便使系統(tǒng)性能達到一個全新的水平,包括更短的周期、更高的生產(chǎn)率、更好的可靠性和更長的壽命。

關(guān)鍵詞:伺服系統(tǒng);機電設備

1 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)動的電機類型分為直流(DC)和交流(AC)伺服系統(tǒng)。20世紀50年代,無刷電機和直流電機實現(xiàn)了產(chǎn)品化,并在計算機外圍設備和機械設備上獲得了廣泛的應用,20世紀70年代則是直流伺服電機的應用最廣泛的時代。但直流伺服電機存在機械結(jié)構(gòu)復雜、維護工作量大等缺點,在運行過程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱,影響了與其連接的其他機械設備的精度,難以應用到高速及大容量的場合,機械換向器則成為直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動電動機的類型來分,主要有兩大類:永磁同步(SM型)電動機交流伺服系統(tǒng)和感應式異步(IM型)電動機交流伺服系統(tǒng)。其中,永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于完全成熟,具備了十分優(yōu)良的低速性能,并可實現(xiàn)弱磁高速控制,拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍,適應了高性能伺服驅(qū)動的要求。

系統(tǒng)的執(zhí)行元件一般為普通三相鼠籠型異步電動機,功率變換器件通常采用智能功率模塊IPM。為進一步提高系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能,可采用位置和速度閉環(huán)控制。三相交流電流的跟隨控制能有效提高逆變器的電流響應速度,并且能限制暫態(tài)電流,從而有利于IPM的安全工作。速度和位置環(huán)可使用單片機控制,以使控制策略獲得更高的控制性能。

直流伺服驅(qū)動技術(shù)受電機本身缺陷的影響,其發(fā)展受到了限制。直流伺服電機存在機械結(jié)構(gòu)復雜、維護工作量大等缺點,在運行過程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱,影響了與其連接的其他機械設備的精度,難以應用到高速及大容量的場合,機械換向器則成為直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點,特別是交流伺服電機的過負荷特性和低慣性更體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。所以交流伺服系統(tǒng)在工廠自動化(FA)等各個領域得到了廣泛的應用。

2 伺服驅(qū)動產(chǎn)品概況

由于伺服驅(qū)動產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中的應用十分廣泛,市場上的相關(guān)產(chǎn)品種類很多,從普通電機、變頻電機、伺服電機、變頻器、伺服控制到運動控制器、單軸控制器、多軸控制器、可編程控制器、上位控制單元乃至車間和廠級監(jiān)控工作站等一應俱全。

2.1 伺服電機

隨著永磁材料制造工藝的不斷完善,新一代的伺服電機大都采用了最新的Nd2Fe14b1(銣鐵硼)材料,該材料的剩余磁密、矯頑力和最大磁能積均好于其他永磁材料,再加上合理的磁極、磁路及電機結(jié)構(gòu)設計,大大地提高了電機的性能,同時又縮小了電機的外形尺寸。新一代的伺服電機大都采用了新型的位置編碼器,這種位置編碼器的信號線數(shù)量從9根減少到5根,并支持增量型和絕對值型兩種類型,通信速率達4M/s,通信周期為62.5μs,數(shù)據(jù)長度為12位,編碼器分辨率為20bit/rev,即每轉(zhuǎn)生成100萬個脈沖,最高轉(zhuǎn)速達6000r/min,編碼器電源電流僅為16μA。伺服電機按照容量可以分為超小型(MINI型)、小容量型、中容量型和大容量型。超小容量型的功率范圍為10W到20W,小容量型的功率范圍為30W～750W,中容量型的功率范圍為300W～15KW,大容量型的功率范圍為22KW～55KW。伺服電機的供電電壓范圍從100V～400V(單三相)。

2.2 伺服控制單元

為了提高產(chǎn)品的性能,新一代的伺服控制器采用了多種新技術(shù)、新工藝,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

在電流環(huán)路中采用了d-q軸變換電流單元,在新的控制方式中,主CPU的運算量得以減少,通過硬件來進行電流環(huán)控制 ,即將控制算法固化在LSI專用硬件環(huán)路中。通過采用高速的d-q軸變換電流單元,使電流環(huán)的轉(zhuǎn)矩控制精度有了進一步的提高,實現(xiàn)了在穩(wěn)態(tài)運行及瞬態(tài)運行時均能保持良好的性能。

采用了脈沖編碼器倍增功能,新的控制算法使位置控制的整定時間縮短為原來的三分之一。

速度控制環(huán)采用速度實時檢測控制算法,是電機的低速性能得到進一步提高,速度波動和轉(zhuǎn)矩波動降到最低。采用在線自動鎖定功能,使伺服系統(tǒng)的調(diào)試時間縮短,操作更加簡化。

為了使用戶更加靈活地使用伺服系統(tǒng),一些產(chǎn)品上增加了可擴展性以及柔性化、開放性設計。用戶可以通過修改內(nèi)部參數(shù),選擇控制算法,或者使用高級語言進行編程,更加靈活的使用伺服產(chǎn)品。

伺服控制一般均采用從電機軸端的位置編碼器采集位置信號進行反饋,在受控執(zhí)行機械部分沒有反饋采樣信號,即半閉環(huán)的控制方式。目前的新產(chǎn)品則采用全閉環(huán)的控制方式,使機械加工誤差、齒輪間隙、結(jié)構(gòu)受力彈性變形等誤差所造成的影響在伺服控制器中通過計算完成修正。

2.3 上位控制

隨著工業(yè)機械化設備對高速化、高精度化和小型化以及多品種小批量化、高可靠性、免維護性能要求的提高,上位機控制群得以廣泛應用。從上層的可編程控制器(PLC)、運動控制器、機床CNC控制器,可一直連到底層的通用輸入/輸出(I/O)控制單元和視覺傳感系統(tǒng)。編程語言有梯形圖、NC語言、SFC語言、運動控制語言等,均可按照用戶要求靈活配置。

3 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

從前面的討論可以看出,數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的應用越來越廣,用戶對伺服驅(qū)動技術(shù)的要求也越來越高?？偟膩碚f,伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個方面:

3.1 交流化

伺服技術(shù)將繼續(xù)迅速地由DC伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向AC伺服系統(tǒng)。從目前國際市場的情況看,幾乎所有的新產(chǎn)品都是AC伺服系統(tǒng)。在工業(yè)發(fā)達的國家,AC伺服電機的市場占有率已超過80%,在國內(nèi)生產(chǎn)AC伺服電機的廠家也越來越多,正在逐步超過生產(chǎn)DC伺服電機的廠家。可以預見,不久的將來,除了在某些微型電機領域之外,AC伺服電機將完全取代DC伺服電機。

3.2 全數(shù)字化

采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機(DSP)的伺服控制單元將全面取代模擬電子器件為主的伺服控制單元,從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(xiàn),將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制,從而使在伺服系統(tǒng)中應用現(xiàn)代控制理論的先進方法成為可能。

3.3 高度集成化

新的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法,代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。同一個控制單元,只要通過軟件設置系統(tǒng)參數(shù),就可以改變其性能,既可以使用電機本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

3.4 智能化

智能化是當前一切工業(yè)控制設備的流行趨勢,伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為一種高級的工業(yè)控制裝置當然也不例外。最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設計為智能型產(chǎn)品,他們的智能化特點表現(xiàn)在以下幾個方面:

具有參數(shù)記憶功能。系統(tǒng)的所有參數(shù)都可以通過人機對話的方式由軟件來設置,保存在伺服單元內(nèi)部,通過通信接口,這些參數(shù)甚至可以在運行途中由上位計算機加以修改;

具有故障自診斷與分析功能。無論什么時候,只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障,就會將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶面板清楚地顯示出來,這就簡化了維修與調(diào)試的復雜性;

具有參數(shù)自整定的功能。眾所周知,閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標的重要環(huán)節(jié),帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運行自動將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來,并自動實現(xiàn)其最優(yōu)化。

綜上所述,伺服系統(tǒng)將向兩個方向發(fā)展:一個是滿足一般工業(yè)應用的要求,對性能指標要求不是很高的應用場合,追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅(qū)動產(chǎn)品,如變頻電機、變頻器等;另一個就是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導產(chǎn)品——伺服電機、伺服控制器,追求高性能、高速度、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化的驅(qū)動控制,以滿足用戶較高的要求。