淺談交流伺服電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展

陳少勇 史彭珍 張慶增

摘 要：伺服電機(jī)是自動(dòng)化系統(tǒng)的核心部件，交流伺服電機(jī)以其性能的優(yōu)越性逐步取代直流伺服電機(jī)，成為伺服電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)?；诖?，本文概述了交流伺服電機(jī)，闡述了交流伺服電機(jī)控制原理，對(duì)交流伺服電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及其發(fā)展進(jìn)行了論述分析。

關(guān)鍵詞：伺服電機(jī)；自動(dòng)化控制；原理；發(fā)展

1 伺服電機(jī)簡(jiǎn)介

交流伺服電機(jī)大致上可分為兩大部分，即轉(zhuǎn)子和定子部分。其中，我們一般常用的鼠籠形轉(zhuǎn)子和非磁性杯行轉(zhuǎn)子就是這里所說的轉(zhuǎn)子部分。那么定子部分呢？常用的定子結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子有異曲同工之處，他們都是在定子鐵心中安放著空間互成90度的兩相繞組組成，故此，伺服電機(jī)也可被稱為是兩相的交流電動(dòng)機(jī)。

在兩種常用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，鼠籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)由轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)軸以及轉(zhuǎn)子繞組組成，而非磁性杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)的外定子與鼠籠形的定子結(jié)構(gòu)完全一樣，而內(nèi)定子確有著差別，它是由環(huán)形的鋼片疊成，作為電機(jī)磁路的一部分，內(nèi)定子通常不放繞組，只是代替鼠籠轉(zhuǎn)子的鐵心而已。

依據(jù)目前市場(chǎng)的情況來看，一般被廣泛應(yīng)用的是鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)，因?yàn)榉谴判员无D(zhuǎn)子的慣量小，軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小。還因?yàn)樗霓D(zhuǎn)子之間沒有齒槽，導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子之間沒有齒槽粘合的現(xiàn)象，在恒速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，抖動(dòng)的現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生，但是在相同的體積和重量下，以一定的功率范圍內(nèi)來看，杯形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)比鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)所產(chǎn)生的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和輸出功率都小，與此同時(shí)，杯形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)的構(gòu)造和制造工藝相對(duì)來說更復(fù)雜。故此，杯形轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)只有在要求運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)的某些場(chǎng)合下才被使用（如：積分電路）。

2 伺服電機(jī)的自動(dòng)化控制原理

伺服電機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制主要時(shí)利用變頻技術(shù)對(duì)交流伺服電機(jī)的主軸轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行控制。與傳統(tǒng)的感應(yīng)式電機(jī)控制相比，這種控制方式具有調(diào)速范圍大、控制精度高以及動(dòng)態(tài)性能良好的優(yōu)勢(shì)。由于交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子使用了永磁體磁鋼，因此其磁場(chǎng)不能隨意改變，一般用于恒轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，且伺服控制系統(tǒng)使用矢量控制方式。但是，為了實(shí)現(xiàn)矢量控制，需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的矢量定向與參數(shù)解耦，必須構(gòu)建配套的磁通觀測(cè)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)的同步控制，需要將變頻器、伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)配套使用。當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)接受獲得相應(yīng)的指令控制脈沖信號(hào)后，利用變流及對(duì)應(yīng)的控制策略，并輸出對(duì)應(yīng)的電壓和電流；在電機(jī)的運(yùn)行過程中，設(shè)置在電機(jī)內(nèi)部的編碼碼盤則將電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息反饋至伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從而在整個(gè)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

3 伺服電機(jī)較之其它電動(dòng)機(jī)有那些優(yōu)勢(shì)

在控制精度上的不同。交流伺服電機(jī)的控制精度是由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證，而兩相步進(jìn)電機(jī)的距角一般為3.6度、18度，五相混合式步進(jìn)電機(jī)距角為0.72度、0.36度。其二、低頻特性的不同。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)容易出現(xiàn)低頻振動(dòng)的現(xiàn)象。由于步進(jìn)電機(jī)工作原理的特性決定了低頻振動(dòng)的現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)來說是有害而無利的，但是交流伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)卻非常的平穩(wěn)，即使是在非常低的速度下，也能保持平穩(wěn)性而不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)。那是因?yàn)榻涣魉欧到y(tǒng)具有共振抑制的功能，在系統(tǒng)的內(nèi)部存在著頻率解析機(jī)能，在檢測(cè)到機(jī)械有共振點(diǎn)的時(shí)候就會(huì)適時(shí)的進(jìn)行調(diào)整。

還有矩頻特性、過載能力、以及運(yùn)行性能和速度響應(yīng)性能的不同。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，要綜合考慮控制的要求、成本等以及多方面因素，在適時(shí)的選用較為適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。

4 伺服電機(jī)自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)

伺服電機(jī)控制的最小實(shí)現(xiàn)單元為單電機(jī)控制，以此為基礎(chǔ)通過增加伺服電機(jī)數(shù)量和對(duì)各參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制但是單電機(jī)控制是基礎(chǔ)。因此本文以實(shí)現(xiàn)單伺服電機(jī)的控制為目的，探討伺服電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)。采用EC10系列PLC對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制。

4.1 DRVA指令

DRVA指令屬于絕對(duì)位置控制，在控制過程中需要預(yù)先制定對(duì)應(yīng)的速度脈沖控制字，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行位置的控制。而在定位的過程中，電機(jī)的速度將保持恒定穩(wěn)態(tài)值，完成定位之后即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，等待后續(xù)指令。

4.2 DRVI指令

DRVI指令是相對(duì)位置控制。其速度控制字同樣需要預(yù)先確定，從而確定其一次能夠執(zhí)行的脈沖數(shù)量。在定位指令執(zhí)行過程中，若速度字發(fā)生變化，則必須在指令能流切斷一個(gè)完整的周期之后才能產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制效果。（3）PLSV指令。PLSV指令是指變速運(yùn)行指令，其可以隨時(shí)進(jìn)行更改，速度控制相對(duì)靈活。但是，其不具有定位功能，只要控制能流有效就能夠持續(xù)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。在實(shí)際的控制過程中需要使用特殊的功能寄存器SD80等構(gòu)建對(duì)應(yīng)的位置系統(tǒng)。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，將PLSV指令作為主控指令，而絕對(duì)位置控制指令DRVA與相對(duì)位置控制指令DRVI則作為輔助控制指令，能夠用于實(shí)現(xiàn)定位控制以及暫停模式下的電動(dòng)微調(diào)控制，基本能夠滿足實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

5 伺服電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

近年來圍繞著伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)特性的提高，也是發(fā)展并且出現(xiàn)了多種伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。決定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵性因素依然是伺服控制技術(shù)，但由于交流伺服系統(tǒng)本身的有著極其先進(jìn)的控制原理以及低成本，免維護(hù)的特性，更何況其控制特性也在全面的超越直流伺服系統(tǒng)，勢(shì)必在今后的發(fā)展過程中將大部分甚至是全部代替直流伺服系統(tǒng)，按照當(dāng)前的運(yùn)轉(zhuǎn)模式來分析，其今后比向高效率化，告訴，高精度化以及高性能化的方向發(fā)展。

隨著目前智能化的大幅度推廣以及網(wǎng)絡(luò)化模塊化的盛行，而現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備也同時(shí)具備著參數(shù)記憶的功能，以及自身故障的診斷和分析的功能，有的伺服電機(jī)甚至還具備了識(shí)別參數(shù)的性能，還能在發(fā)現(xiàn)振動(dòng)的時(shí)候自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行抑制，自動(dòng)將編碼器進(jìn)行測(cè)定并歸零，這些都是伺服電機(jī)在智能化法相的發(fā)展趨勢(shì)。而網(wǎng)絡(luò)化的重點(diǎn)發(fā)展方向就是如何適應(yīng)高性能運(yùn)動(dòng)控制對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、同步性以及可靠性的要求。高檔數(shù)控系統(tǒng)的成功開發(fā)，也預(yù)示著網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字伺服開發(fā)成為當(dāng)下的當(dāng)務(wù)之急，還有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源、再生制動(dòng)、以及電機(jī)與電機(jī)之間的通訊都在不斷的向模塊化方向發(fā)展。

6 結(jié)束語

隨著工廠自動(dòng)化水平的不斷提高，對(duì)伺服控制技術(shù)提出了更高的要求。近年來伺服電機(jī)控制技術(shù)涉及到的特種材料、微電子和現(xiàn)代控制技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，使得伺服電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

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