伺服系統(tǒng)：需求提升性能指標(biāo)

　　【 伺服源自英文單詞“Servo”，顧名思義，就是指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運動，而其中的運動要素包括位置、速度和力矩等物理量?；仡?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/伺服系統(tǒng)">伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程，從最早的液壓、氣動到如今的電氣化，由伺服電機(jī)、反饋裝置與控制器組成的伺服系統(tǒng)已經(jīng)走過了近50個年頭?！?/p>本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/110022.htm

　　伺服源自英文單詞“Servo”，顧名思義，就是指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運動，而其中的運動要素包括位置、速度和力矩等物理量?；仡?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/伺服系統(tǒng)">伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程，從最早的液壓、氣動到如今的電氣化，由伺服電機(jī)、反饋裝置與控制器組成的伺服系統(tǒng)已經(jīng)走過了近50個年頭。

　　如今，隨著技術(shù)的不斷成熟，交流伺服電機(jī)技術(shù)憑借其優(yōu)異的性價比，逐漸取代直流電機(jī)成為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機(jī)。交流伺服系統(tǒng)技術(shù)的成熟也使得市場呈現(xiàn)出快速的多元化發(fā)展，并成為工業(yè)自動化的支撐性技術(shù)之一。

　　南京工業(yè)大學(xué)運動控制研究所所長舒志兵在采訪中用九個字描述了伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：即高精度、高速度、大功率。他解釋說，伺服系統(tǒng)的發(fā)展要充分利用電子和計算機(jī)技術(shù)，采用數(shù)字式伺服系統(tǒng)，利用微機(jī)實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，增強(qiáng)軟件控制功能，排除模擬電路的非線性誤差和調(diào)整誤差以及溫度漂移等因素的影響，這可大大提高伺服系統(tǒng)的性能，并為實現(xiàn)最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制創(chuàng)造條件。同時，要開發(fā)高精度、快速檢測元件與高性能的伺服電機(jī)(執(zhí)行元件)。

　　如何提高交流伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)

　　眾所周知，伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動裝置和驅(qū)動元件組成，高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測裝置，用來反饋實際的輸出狀態(tài)。

　　舒所長介紹，在交流伺服系統(tǒng)中，電動機(jī)的類型有永磁同步交流伺服電機(jī)(PMSM)和感應(yīng)異步交流伺服電機(jī)(IM)，其中永磁同步電機(jī)具備十分優(yōu)良的低速性能，可以實現(xiàn)弱磁高速控制，具有調(diào)速范圍寬廣、動態(tài)特性和效率高的優(yōu)點，已經(jīng)發(fā)展成為伺服系統(tǒng)的主流之選。而異步伺服電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)堅固、價格低廉，但在特性與效率上與永磁同步電機(jī)存在差距，只在大功率場合得到重視。

　　隨著交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐漸拓寬，其性能的評價標(biāo)準(zhǔn)也得到廣泛關(guān)注。舒所長將性能指標(biāo)大致分為調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動態(tài)響應(yīng)和運行穩(wěn)定性等方面，同時他對這幾個指標(biāo)分別做了詳細(xì)說明，他解釋道：“低檔的伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍在1：1000以上，一般的在1：5000～1：10000，高性能的可以達(dá)到1：100000以上;定位精度一般都要達(dá)到±1個脈沖，尤其是低速下的穩(wěn)速精度。比如給定1rpm時，一般的在±0.1rpm以內(nèi)，高性能的可以達(dá)到±0.01rpm以內(nèi);動態(tài)響應(yīng)方面，通常衡量的指標(biāo)是系統(tǒng)最高響應(yīng)頻率，即給定最高頻率的正弦速度指令，系統(tǒng)輸出速度波形的相位滯后不超過90度或者幅值不小于50%。進(jìn)口三菱伺服電機(jī)MR-J3系列的響應(yīng)頻率高達(dá)900Hz，而國內(nèi)主流產(chǎn)品的頻率在200～500Hz;運行穩(wěn)定性主要是指系統(tǒng)在電壓波動、負(fù)載波動、電機(jī)參數(shù)變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾，以及其他特殊運行條件下，維持穩(wěn)定運行并保證一定的性能指標(biāo)的能力。這方面國產(chǎn)產(chǎn)品與世界先進(jìn)產(chǎn)品相比差距較大。”

　　同時，舒所長從控制策略方面對伺服系統(tǒng)性能進(jìn)行了進(jìn)一步闡釋，他介紹，基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的電壓頻率控制方法和開環(huán)磁通軌跡控制方法都難以達(dá)到良好的伺服特性，目前普遍應(yīng)用的是基于永磁電機(jī)動態(tài)解耦數(shù)學(xué)模型的矢量控制方法，這是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的核心控制方法。他強(qiáng)調(diào)說：“雖然人們?yōu)榱诉M(jìn)一步提高控制特性和穩(wěn)定性，提出了反饋線性化控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制等理論，還有不依賴數(shù)學(xué)模型的模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制方法，但是大多在矢量控制的基礎(chǔ)上附加應(yīng)用這些控制方法。”

　　什么樣的伺服系統(tǒng)才是用戶最需要的?

　　近年來，伺服系統(tǒng)的發(fā)展始終以穩(wěn)定性、響應(yīng)性與精度為發(fā)展主軸，這也是用戶在使用過程中最為看重的幾大因素。穩(wěn)定的系統(tǒng)可以在給定輸入或外界干擾作用下，在短暫的調(diào)節(jié)后達(dá)到新的或者恢復(fù)到原有的平衡狀態(tài);伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。以數(shù)控機(jī)床為例，允許的偏差一般都在0.01～0.00lmm之間;快速響應(yīng)性是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，一方面要求過渡過程時間短，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒。而另一方面，為了滿足超調(diào)要求，要求過渡過程的前沿陡，即上升率要大。

　　舒所長還強(qiáng)調(diào)，由于用戶在使用過程中經(jīng)常會遇到伺服系統(tǒng)頻繁的啟動和制動過程，這就要求伺服電機(jī)具有高性能，即電機(jī)的輸出力矩與轉(zhuǎn)動慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動力矩。要求伺服電機(jī)在低速時有足夠大的輸出力矩且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以便在與機(jī)械運動部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié);同時，寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)也是用戶較為關(guān)注的熱點。以機(jī)床行業(yè)為例，從系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)看，數(shù)控機(jī)床的位置閉環(huán)系統(tǒng)可以看作是位置調(diào)節(jié)為外環(huán)、速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，其內(nèi)部的實際工作過程是把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度給定信號后，再通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機(jī)，實現(xiàn)實際位移。數(shù)控機(jī)床的主運動要求調(diào)速性能也比較高，因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調(diào)速系統(tǒng)。

　　目前，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用行業(yè)逐漸增多，行業(yè)用戶的需求也在完善著伺服系統(tǒng)的功能與性能。舒所長介紹說：“近幾年，隨著國內(nèi)外公司應(yīng)用伺服產(chǎn)品的成功案例增多，以及在國外展會上關(guān)于運動控制新技術(shù)的見聞，我大致地總結(jié)了一些伺服驅(qū)動系統(tǒng)、運動控制和相關(guān)軟件的發(fā)展趨勢：首先就是產(chǎn)品的模塊化設(shè)計，同時在產(chǎn)品中融入機(jī)器安全的概念;同時，在適合運動控制的工業(yè)協(xié)議方面，我們注意到包括倍福、貝加萊、丹納赫、西門子等公司都推出了自己的通訊協(xié)議。這些通訊協(xié)議都為多軸實時同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驅(qū)動器集成進(jìn)去。目前，國內(nèi)的相關(guān)企業(yè)與研究所已經(jīng)進(jìn)行了研發(fā)實踐，這一方面消化了國外的先進(jìn)技術(shù)，另一方面也為自己的總線標(biāo)準(zhǔn)的制定做出了有益的嘗試。”