伺服控制技术
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机器人的伺服控制
摘要：本文首先简要介绍了伺服系统的发展，以及采用伺服系统所要达到的目的，并简要介绍了交流伺服电机与直流伺服电机的工作原理，分析了他们各自的特点。
关键词：交流伺服电机 直流伺服电机 伺服
引言
机器人控制器是机器人信息处理和控制的主体, 其设计好坏将决定机器人系统的整体行为和整体性能。机器人的控制与其他机械设备类似，是通过伺服机构进行的，其控制理论也以伺服机构理论作为基础，但这种理论并不能完全适用于机器人的伺服控制，机器人的伺服控制必须是基于数据的软伺服控制。
机器人的控制方式是多种多样的，用于最广的为位置控制，力的控制及由此派生的控制方式。最近几年力与位置的混合控制越来越受人们重视，这是因为机械手的位置有时被任务的几何条件约束，使得机器人控制不得不采用混合控制方案。一个基本的运动控制系统包括：运动控制器、伺服电机、伺服传动机构（亦称为增强器）、反馈设施。
1伺服系统
在运动控制系统中最常见的术语之一为所谓伺服系统。广义的伺服系统是指精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统, 又称随动系统, 它并不一定局限于机械运动。但是在很多情况下, 伺服系统这个术语一般只狭义地应用于利用反馈和误差修正信号对位置及其派生参数如速度和加速度进行控制的场合, 其作用是使输出的机械位移准确地实现输入的位移指令, 达到位置的精确控制和轨迹的准确跟踪。伺服系统的结构组成与其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：
①小功率指令信号去控制大功率负载。
②在没有机械连接的情况下, 由输入轴控制位于远处的输出轴, 实现远距离同步传动。
③使输出机械位移精确地执行某控制器的运动指令, 这些指令可以是预先编制的, 也可能是随机产生的。
伺服控制系统由控制基板、伺服驱动装置和机械臂三部分组成。控制基板主要实现各轴电机的控制, 以及提供人机界面、实现与上位机通信、保护驱动装置等功能。伺服系统的模件性和紧凑性为设备制造商和最终用户带来了更大的机器
灵活性，缩短了准备时间，减少了相应的浪费，并且通过消除机械元件的缺陷改进了质量。伺服系统的长周期、可靠和可重复的特性可以提高许多动作控制应用的处理量和处理速度。
一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求，满足何种运动功能来选择。
2伺服电机及其工作原理
2.1伺服电机的定义、作用及其分类
伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机具有快速加速和减速的能力，通过高峰值扭矩和高扭矩-惯矩比实现这种能力，可以为功率需求从几百瓦到75kW以上的应用提供服务。伺服电机在机床和自动机器等传统的动作控制应用中表现出卓越的动力反应和精确度。它将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机可分为：直流伺服电机和交流伺服电机。
2.2交流伺服电机的工作原理
交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。
交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。
交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：起动转矩大、运行范围较广、无自转现象。
2.3直流伺服电机的工作原理
直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机相同。只是为了减小转动惯量而做得细长一些。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。通常采样独立电枢控制，就是励磁电压U一定，建立的磁通也是定值，而将控制电压接在电枢上，直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。直流伺服电机是永磁转子的,是用直流脉冲电压信号驱动；给它加一个恒定电压，只能转
动一个很小的角度，要在它的几相定子线圈中，按一定的顺序加上直流脉冲，才能按要求转动一定的角度。
3交流伺服电机与直流伺服电机的特点
3.1直流伺服电机的特点
直流电刷伺服电机的定子上装有磁铁，直流电通过碳刷组件作用在转子上，电机旋转时，通过电刷施加到转子的电压极性被一种叫做换向器的机械组件不断地逆转。如果没有这个机械换向器，电机将锁定在某一个位置上，停止了运转。由于换向是通过机械手段和电刷的滑动接触向转子施加的电能实现的，因此经常出现机械磨损和维修问题。
直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。
3.2交流伺服电机的特点
交流伺服系统综合了伺服电动机、角速度和角位移传感器的最新成就，与采用新型电力电子器件、专用集成电路和专用控制算法的交流伺服驱动器相匹配，组成新型高性能机电一体化产品。使原有的直流伺服系统面临淘汰的危机，成为当今世界伺服驱动的主流及发展方向。交流无刷伺服电机，也叫永磁伺服电机， 90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：
⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。
⑵定子绕组散热比较方便。
⑶惯量小，易于提高系统的快速性。
⑷适应于高速大力矩工作状态。
⑸同功率下有较小的体积和重量。
永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的
灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。
总结
本文简要介绍了什么是伺服系统，并对直流伺服电机与交流伺服电机的工作原理进行了初步的了解。熟悉了目前伺服电机的发展动态，以及两种伺服电机的优缺点。
参考文献
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