伺服控制系统综述

伺服控制系统综述

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本文从伺服系统的机理出发，论述了伺服系统的分类以及各个组成部分，在此基础上进一步以机器人为背景举例说明伺服系统的应用、发展趋势和个人对交流伺服系统的认识以及自动化专业与交流伺服系统的关系等。

关键词：伺服系统；综述；发展

1、伺服运动控制系统的机理

一个伺服系统的构成通常包含受控体（plant）、致动器（actuator）、传感器（sensor）控制器（controller）等几个部分。受控体系指被控制的物件。致动器包含了马达与功率放大器，例如应用于伺服系统的特别设计马达称之为伺服马达（servo motor），其装置内含位置回授装置，如光电编码器（optical encoder）或是解角器（resolver）。一个传统伺服机构系统的组成，伺服驱动器主要包含功率放大器与伺服控制器[1]。结构如图1-1所示[2]。

图1-1伺服系统构成主要部分图

交流伺服系统安照不同的标准具有不同的分类。伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机（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；按反馈比较控制方式划分，有脉冲、数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统、全数字伺服系统[3]。

伺服系统有精确度高、丰富的反馈方式、伺服电机高性能、速度调节范围宽等特点。

1.1伺服运动控制控制器论述

1.开环系统

图1-2是开环系统构成图，它主要由驱动电路、执行元件和被控对象三大部分组成。由于该系统通常使用步进电机作为执行元件，也没有加入反馈控制，故精度较低[4]。

图1-2 开环系统构成图

2.半闭环系统

半闭环系统没有位置反馈，但有速度反馈的私服系统。此类系统只是把伺服电机的输出作为反馈，并不能补偿机床等闭环外的传动误差，故其精度没有闭环高，但由于其易于实现和调试，因而得到广泛使用。如图1-3所示。

图1-3 半闭环系统构成图

3.闭环系统

闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和被控对象5部分组成。其构成框图如图1-4所示。由于其把检测元件安装在被控对象上，故其构成的闭环系统能够补偿电机和被控对象之间的误差，使得该系统精度更高。

图1-4闭环系统构成图

1.2伺服电机论述

电机是一种机电能量转换装置。按绕组中流过电流的性质可分为直流电机或交流电机。电机中主磁场的建立可以是通电绕组产生，也可以是由永磁体产生的。由永磁体建立主磁场的电机称为永磁电机[5]。当人们对电机的要求不仅限于满足其驱动性能的静态力能指标，还有动态的控制性能要求时，这就属于伺服电机的概念，它强调的是电机的可控性，如调速性、能力等，重点关注的是电机的各种参数、运行范围、加(减)速特性、转速和力矩波动等精度和动态品质。因此伺服电机是电气伺服系统的核心部件。目前，伺服电机有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机三大类。

1.3伺服运动控制系统传感器论述

伺服系统检测环节的主要任务是将被控物理量实时感知并将其转换为可用的标准电量。其结构图如1-5所示。

图1-5检测环节的一般结构图

交流伺服系统中使用的传感器和传感技术就是将与执行电机或控制对象相关的电流、速度、位置、加速度、温度等各种旋转的或直线的机械、电气等输出量反馈给驱动控制器，使之与输入的命令进行比较，驱动控制器根据这些信息做出决定，发布指令，指示执行电机完成相应动作。

按照系统的工作状态可以把用于伺服系统的传感器大致分为位置传感器和速度传感器加速度传感器、电流传感器等。其中，可以用来检测系统行进的位置的位置传感器有光电位置传感器件（PSD）、电耦合器件（CCD）、光纤传感器、旋转变压器、感应同步器、光栅传感器、磁尺（磁栅）传感器等；用来检测系统的行进速度的速度传感器有旋转变压器、脉冲编码器、光电传感器件等。

2、伺服控制系统在工业机器人领域的应用

机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。

对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。

2.1机器人对关节驱动电机的主要要求

1．快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。

2．起动转矩惯量比大。在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。

3．控制特性的连续性和直线性。

4．调速范围宽。能使用于 1：1000～10000 的调速范围。

5．体积小、质量小、轴向尺寸短。

6．能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。

2.2电机分类和传感部分

1．交流伺服电动机。

2．直流伺服电动机。

3．步进电动机。

速度传感器多采用测速发电机和旋转变压器；位置传感器多用光电码盘和旋转变压器。近年来，国外机器人制造厂家已经在使用一种集光电码盘及旋转变压器功能为一体的混合式光电位置传感器，伺服电动机可与位置及速度检测器、制动器、减速机构组成伺服电动机驱动单元。

机器人驱动系统要求传动系统间隙小、刚度大、输出扭矩高以及减速比大。

2.3工业机器人系统构成

工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环。其驱动原理图如图2-1所示。特点有：驱动器能够满足各种工程的要求；它能够灵活、方便地接受控制器的控制指令，实现转矩、位置和速度的控制；能够进行频繁地起、制动和反转切换等重复运行；具有良好的稳定性，并能对控制指令实行快速响应；运动部件的惯量应尽可能小些；要求整体装置体积小、重量轻。

图2-1工业机器人驱动系统原理图

3、伺服控制系统及其应用的发展综述

3.1交流伺服系统发展现状

1.伺服电机。目前由于新材料的发展，使得伺服电机正在朝着超小、和极大方向发展。加上更先进位置编码器的使用，提高了其通信效率。整体性能大大提升。

2.伺服控制器。由于传统的模拟控制存在系统调试困难、易产生漂移、不易复杂计算，无法实现现代控制算法等缺点，随着伺服系统的发展，传统的模拟控制逐步为采用全数字化结构，伺服控制系统以现代矢量控制思想实现了电流向量的幅值控制和相位控制的现代伺服系统取代。

3.上位机系统。随着科技的发展和生产工艺的提高，工业生产对于机械化设备的高速度、高精度和小型化的要求越来越高，因此上位机控制群的应用越来越广泛

3.2交流伺服系统发展方向

1.数字化。随着数字技术和微处理技术的不断进步，以模拟电子器件为主的伺服控制单元将会被采用全数字处理器的伺服控制单元全面取代，从而实现伺服系统全数字化。在伺服控制方面将逐步转变为软件控制，以便在伺服系统中应用现代先进的控制方法。

2.高集成化。下一代伺服系统将采用高集成化的多功能控制单元。对每一个控制单元，均可以通过软件对系统参数进行重新设置，以改变伺服系统的性能适应不同用户的需求，既可以使用内置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口连接外部传感器构成全闭环调节系统。