伺服系統介紹

2016-05-10

  伺服系統(servomechanism)又稱隨動系統,是用來跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。伺服系統使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(或給定值)的任意變化的自動控制系統。它的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理,使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。在很多情況下,伺服系統專指被控制量(系統的輸出量)是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統,其作用是使輸出的機械位移(或轉角)準確地跟蹤輸入的位移(或轉角),其結構組成和其他形式的反饋控制系統沒有原則上的區別.

  主要作用

1、以小功率指令信號去控制大功率負載;

2、在沒有機械連接的情況下,由輸入軸控制位于遠處的輸出軸,實現遠距同步傳動;

3、使輸出機械位移跟蹤電信號,如記錄和指示儀表等。

  發展歷史

  伺服(Servo)是ServoMechanism一詞的簡寫,來源于希臘,其含義是奴隸,顧名思義,就是指系統跟隨外部指令進 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?;仡櫵欧到y的發展歷程,從最早的液壓、氣動到如今的電氣化,由伺服電機、反饋裝置與控制器組成的伺服系統已經走過了近50個年頭。[1]

  如今,隨著技術的不斷成熟,交流伺服電機技術憑借其性價比,逐漸取代直流電機成為伺服系統的主導執行電機。交流伺服系統技術的成熟也使得市場呈現出快速的多元化發展,并成為工業自動化的支撐性技術之一。

  我國現狀

  我國制造業產業升級的不斷推進,為我國伺服產業的發展提供了巨大的市場,近年來,隨著數控機床、包裝機械、電子專用設備等行業繼續保持較好發展以及交流伺服技術的日益成熟,新興行業如新能源行業中的風電產業伺服技術的應用使得我國伺服市場迅速發展,2010年,我國伺服市場同比增長39.7%,市場規模達到39.9億元。

  前瞻產業研究院《2013-2017年 中國伺服系統行業市場調研與投資預測分析報告》顯示,盡管近年來我國本土伺服企業得到了較快的發展,但國外品牌仍占據了伺服市場80%左右的市場份額。[2]

  很多有遠識的國產廠商正加大研發力度提升其產品的性能,進而擴大其品牌的號召力,國產伺服廠商改變進口壟斷格局將指日可待。由此預測,未來五年,我國伺服系統行業受益于產業升級的影響,仍將保持20%以上的增長速度,至2015年,我國伺服系統行業市場規模有望突破100億元,其中,國產伺服產品的市場占有率將達到40%左右。

  主要分類

從系統組成元件的性質來看,有電氣伺服系統、液壓伺服系統和電氣-液壓伺服系統及電氣-電氣伺服系統等;

從系統輸出量的物理性質來看,有速度或加速度伺服系統和位置伺服系統等;

從系統中所包含的元件特性和信號作用特點來看,有模擬式伺服系統和數字式伺服系統;

從系統的結構特點來看,有單回伺服系統、多回伺服系統和開環伺服系統、閉環伺服系統。

伺服系統按其驅動元件劃分,有步進式伺服系統、直流電動機(簡稱直流電機)伺服系統、交流電動機(簡稱交流電機)伺服系統。按控制方式劃分,有開環伺服系統、閉環伺服系統和半閉環伺服系統等,實際上數控系統也分成開環、閉環和半閉環3種類型,就是與伺服系統這3種方式相關。

  1、開環系統

開環系統主要由驅動電路,執行元件和機床3大部分組成。常用的執行元件是步進電機,通常稱以步進電機作為執行元件的開環系統為步進式伺服系統,在這種系統中,如果是大功率驅動時,用步進電機作為執行元件。驅動電路的主要任務是將指令脈沖轉化為驅動執行元件所需的信號。

  2、閉環系統

  閉環系統主要由執行元件、檢測單元、比較環節、驅動電路和機床5部分組成。其構成框圖如圖2所示。在閉環系統中,檢測元件將機床移動部件的實際位置檢測出來并轉換成電信號反饋給比較環節。常見的檢測元件有旋轉變壓器、感應同步器、光柵、磁柵和編碼盤等。通常把安裝在絲杠上的檢測元件組成的伺服系統稱為半閉環系統;把安裝在工作臺上的檢測元件組成的伺服系統稱為閉環系統。由于絲杠和工作臺之間傳動誤差的存在,半閉環伺服系統的精度要比閉環伺服系統的精度低一些。

  比較環節的作用是將指令信號和反饋信號進行比較,兩者的差值作為伺服系統的跟隨誤差,經驅動電路,控制執行元件帶動工作臺繼續移動,直到跟隨誤差為零。根據進入比較環節信號的形式以及反饋檢測方式,閉環(半閉環)系統可分為脈沖比較伺服系統、相位比較伺服系統和幅值比較伺服系統3種。

  由于比較環節輸出的信號比較微弱,不足以驅動執行元件,故需對其進行放大,驅動電路正是為此而設置的。

執行元件的作用是根據控制信號,即來自比較環節的跟隨誤差信號,將表示位移量的電信號轉化為機械位移。常用的執行元件有直流寬調速電動機、交流電動機等。執行元件是伺服系統中必不可少的一部分,驅動電路是隨執行元件的不同而不同的。

性能要求

  對伺服系統的基本要求有穩定性、精度和快速響應性。

穩定性好:作用在系統上的擾動消失后,系統能夠恢復到原來的穩定狀態下運行或者在輸入指令信號作用下,系統能夠達到新的穩定運行狀態的能力,在給定輸入或外界干擾作用下,能在短暫的調節過程后到達新的或者回復到原有平衡狀態;

精度高:作為精密加工的數控機床,要求的定位精度或輪廓加工精度通常都比較高,允許的偏差一般都在 0.01~0.00lmm之間;

  快速響應性好:有兩方面含義,一是指動態響應過程中,輸出量隨輸入指令信號變化的迅速程度,二是指動態響應過程結束的迅速程度??焖夙憫允撬欧到y動態品質的標志之一,即要求跟蹤指令信號的響應要快,一方面要求過渡過程時間短,一般在200ms以內,甚至小于幾十毫秒;另一方面,為滿足超調要求,即上升率要大。

  節能高:由于伺服系統的快速相應,注塑機能夠根據自身的需要對供給進行快速的調整,能夠有效提高注塑機的電能的利用率,從而達到節能。

主要結構

  伺服系統主要由三部分組成:控制器,功率驅動裝置,反饋裝置和電動機??刂破靼凑諗悼叵到y的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差,調節控制量;功率驅動裝置作為系統的主回路,一方面按控制量的大小將電網中的電能作用到電動機之上,調節電動機轉矩的大小,另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網供電轉換為電動機所需的交流電或直流電;電動機則按供電大小拖動機械運轉。

主要特點

  1、檢測裝置:以組成速度和位置閉環控制;

  2、有多種反饋比較原理與方法:根據檢測裝置實現信息反饋的原理不同,伺服系統反饋比較的方法也不相同。常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較3種;

  3、高性能的伺服電動機(簡稱伺服電機):用于復雜型面加工的數控機床,伺服系統將經常處于頻繁的啟動和制動過程中。要求電機的輸出力矩與轉動慣量的比值大,以產生足夠大的加速或制動力矩。要求伺服電機在低速時有足夠大的輸出力矩且運轉平穩,以便在與機械運動部分連接中盡量減少中間環節;

  4、寬調速范圍的速度調節系統,即速度伺服系統:從系統的控制結構看,數控機床的位置閉環系統可看作是位置調節為外環、速度調節為內環的雙閉環自動控制系統,其內部的實際工作過程是把位置控制輸入轉換成相應的速度給定信號后,再通過調速系統驅動伺服電機,實現實際位移。數控機床的主運動要求調速性能也比較高,因此要求伺服系統為高性能的寬調速系統。

突出性能

  衡量伺服系統性能的主要指標有頻帶寬度和精度。頻帶寬度簡稱帶寬,由系統頻率響應特性來規定,反映伺服系統的跟蹤的快速性。帶寬越大,快速性越好。伺服系統的帶寬主要受控制對象和執行機構的慣性的限制。慣性越大,帶寬越窄。一般伺服系統的帶寬小于15赫,大型設備伺服系統的帶寬則在1~2赫以下。自20世紀70年代以來,由于發展了力矩電機及高靈敏度測速機,使伺服系統實現了直接驅動,革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素,使帶寬達到50赫,并成功應用在遠程導彈、人造衛星、精密指揮儀等場所。伺服系統的精度主要決定于所用的測量元件的精度。因此,在伺服系統中必須采用高精度的測量元件,如精密電位器、自整角機、旋轉變壓器、光電編碼器、光柵、磁柵和球柵等。此外,也可采取附加措施來提高系統的精度,例如將測量元件(如自整角機)的測量軸通過減速器與轉軸相連,使轉軸的轉角得到放大,來提高相對測量精度。采用這種方案的伺服系統稱為精測粗測系統或雙通道系統。通過減速器與轉軸嚙合的測角線路稱精讀數通道,直接取自轉軸的測角線路稱粗讀數通道。

  伺服系統按所用驅動元件的類型可分為機電伺服系統、液壓伺服系統和氣動伺服系統。

  最基本的伺服系統包括伺服執行元件(電機、液壓缸等)、反饋元件和伺服驅動器,但是要讓這個系統運轉起來還需要一個上位機構,PLC,專門的運動控制卡,工控機+PCI卡,以便于給伺服驅動器發送指令。

典型機型

  20世紀80年代以來,隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速 伺服系統

驅動技術的發展,永磁交流伺服驅動技術有了突出的發展,各國電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅動器系列產品并不斷完善和更新。交流伺服系統已成為當代高性能伺服系統的主要發展方向,使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后,世界各國已經商品化了的交流伺服系統是采用全數字控制的正弦波電動機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發展日新月異。

永磁交流伺服電動機同直流電機。

伺服電動機比較:

  主要優勢:

  1、無電刷和換向器,因此工作可靠,對維護和保養要求低;

  2、定子繞組散熱比較方便;

  3、慣量小,易于提高系統的快速性;

  4、適應于高速大力矩工作狀態;

  5、同功率下有較小的體積和重量。

  主要劣勢:

  1、永磁交流伺服系統采用了編碼器檢測磁極位置,算法復雜;

  2、交流伺服系統維修比較麻煩,因為電路結構復雜;

  3、交流伺服驅動器可靠性不如直流伺服,因為板件太過于精密。

到20世紀80年代中后期,各公司都已有完整的系列產品。整個伺服裝置市場都轉向了交流系統。早期的模擬系統在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在不足,尚不能滿足運動控制的要求,隨著微處理器、新型數字信號處理器(DSP)的應用,出現了數字控制系統,控制部分可由軟件進行。

高性能的電伺服系統大多采用永磁同步型交流伺服電動機,控制驅動器多采用快速、準確定位的全數字位置伺服系統。

發展趨勢

  現代交流伺服系統,經歷了從模擬到數字化的轉變,數字控制環已經無處不在,比如換相、電流、速度和位置控制;采用新型功率半導體器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服專用模塊也不足為奇。國際廠商伺服產品每5 年就會換代,新的功率器件或模塊每2~2.5年就會更新一次,新的軟件算法則日新月異,總之產品生命周期越來越短??偨Y國內外伺服廠家的技術路線和產品路線,結合市場需求的變化,可以看到以下一些發展趨勢:  盡管這方面的工作早就在進行,但是仍需要繼續加強。主要包括電機本身的比如永磁材料性能的改進和更好的磁鐵安裝結構設計,也包括驅動系統的,包括逆變器驅動電路的優化,加減速運動的優化,再生制動和能量反饋以及更好的冷卻方式等。

  直接驅動:直接驅動包括采用盤式電機的轉臺伺服驅動和采用直線電機的線性伺服驅動,由于消除了中間傳遞誤差,從而實現了高速化和高定位精度。直線電機容易改變形狀的特點可以使采用線性直線機構的各種裝置實現小型化和輕量化。

高速、高精、高性能化:采用更高精度的編碼器(每轉百萬脈沖級),更高采樣精度和數據位數、速度更快的DSP,無齒槽效應的高性能旋轉電機、直線電機,以及應用自適應、人工智能等各種現代控制策略,不斷將伺服系統的指標提高。

  一體化和集成化:電動機、反饋、控制、驅動、通訊的縱向一體化成為當前小功率伺服系統的一個發展方向。有時我們稱這種集成了驅動和通訊的電機叫智能化電機(Smart Motor),有時我們把集成了運動控制和通訊的驅動器叫智能化伺服驅動器。電機、驅動和控制的集成使三者從設計、制造到運行、維護都更緊密地融為一體。但是這種方式面臨更大的技術挑戰(如可靠性)和工程師使用習慣的挑戰,因此很難成為主流,在整個伺服市場中是一個很小的有特色的部分。

  通用化:通用型驅動器配置有大量的參數和豐富的菜單功能,便于用戶在不改變硬件配置的條件下,方便地設置成V/F 控制、無速度傳感器開環矢量控制、閉環磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動機控制及再生單元等五種工作方式,適用于各種場合,可以驅動不同類型的電機,比如異步電機、永磁同步電機、無刷直流電機、步進電機,也可以適應不同的傳感器類型甚至無位置傳感器??梢允褂秒姍C本身配置的反饋構成半閉環控制系統,也可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成高精度全閉環控制系統。

  智能化:現代交流伺服驅動器都具備參數記憶、故障自診斷和分析功能,絕大多數進口驅動器都具備負載慣量測定和自動增益調整功能,有的可以自動辨識電機的參數,自動測定編碼器零位,有些則能自動進行振動抑止。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補運動等控制功能和驅動結合在一起,對于伺服用戶來說,則提供了更好的體驗。

  網絡化和模塊化:將現場總線和工業以太網技術、甚至無線網絡技術集成到伺服驅動器當中,已經成為歐洲和美國廠商的常用做法?,F代工業局域網發展的重要方向和各種總線標準競爭的焦點就是如何適應高性能運動控制對數據傳輸實時性、可靠性、同步性的要求。隨著國內對大規模分布式控制裝置的需求上升,數控系統的開發成功,網絡化數字伺服的開發已經成為當務之急。模塊化不僅指伺服驅動模塊、電源模塊、再生制動模塊、通訊模塊之間的組合方式,而且指伺服驅動器內部軟件和硬件的模塊化和可重用。

  從故障診斷到預測性維護:隨著機器安全標準的不斷發展,傳統的故障診斷和保護技術(問題發生的時候判斷原因并采取措施避免故障擴大化)已經落伍,產品嵌入了預測性維護技術,使得人們可以通過Internet及時了解重要技術參數的動態趨勢,并采取預防性措施。比如:關注電流的升高,負載變化時評估尖峰電流,外殼或鐵芯溫度升高時監視溫度傳感器,以及對電流波形發生的任何畸變保持警惕。

  專用化和多樣化:雖然市場上存在通用化的伺服產品系列,但是為某種特定應用場合專門設計制造的伺服系統比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形狀、不同表面粘接結構(SPM)和嵌入式永磁(IPM)轉子結構的電機出現,分割式鐵芯結構工藝在日本的使用使永磁無刷伺服電機的生產實現了大批量和自動化,并引起國內廠家的研究。

  小型化和大型化:無論是永磁無刷伺服電機還是步進電機都積極向更小的尺寸發展,比如20,28,35mm 外徑;同時也在發展更大功率和尺寸的機種,已經看到500KW永磁伺服電機的出現,體現了向兩極化發展的傾向。

發展方向:隨著生產力不斷發展,要求伺服系統向高精度、高速度、大功率方向發展。

  1、充分利用迅速發展的電子和計算機技術,采用數字式伺服系統,利用微機實現調節控制,增強軟件控制功能,排除模擬電路的非線性誤差和調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的性能,并為實現控制、自適應控制條件;

  2、開發高精度、快速檢測元件;

  3、開發高性能的伺服電機(執行元件)。交流伺服電機的變速比已達1∶10000,使用日益增多。無刷電機因無電刷和換向片零部件,加速性能要比直流伺服電機高兩倍,維護也較方便,常用于高速數控機床。

主要應用

  機電一體化及其機床電氣控制技術的發展概況

  機電一體化技術是隨著科學技術不斷發展,生產工藝不斷提出新要求而迅速發展的。在控制方法上主要是從手動到自動;在控制功能上,是從簡單到復雜;在操作上,是由笨重到輕巧。隨著新的控制理論和新型電器及電子器件的出現,又為電氣控制技術的發展新途徑。

傳統機床電氣控制是繼電器接觸式控制系統,由繼電器、接觸器、按鈕、行程開關等組成,實現對機床的啟動、停車、有極調速等控制。繼電器接觸式控制系統的優點是結構簡單、維護方便、抗干擾強、價格低,因此廣泛應用于各類機床和機械設備。在我國繼電器接觸式控制仍然是機床和其他機械設備最基本的電氣控制形式之一。

  在實際生產中,由于大量存在一些用開關量控制的簡單的程序控制過程,而實際生產工藝和流程又是經常變化的,因而傳統的繼電器接觸式控制系統常不能滿足這種要求,因此曾出現了繼電器接觸控制和電子技術相結合的控制裝置,叫做順序控制器。它能根據生產需要改變控制程序,而又遠比電子計算機結構簡單,價格低廉,它是通過組合邏輯元件插接或編程來實現繼電器接觸控制的。但它的裝置體積大,功能也受到一定限制。隨著大規模集成電路和微處理機技術的發展及應用,上述控制技術也發生了根本性的變化,在上世紀70年代出現了將計算機的存儲技術引入順序控制器,產生了新型工業控制器——可編程序控制器(PLC),它兼備了計算機控制和繼電器控制系統兩方面的優點,故在世界各國已作為一種標準化通用裝置普遍應用于工業控制。

  為解決占機械總加工量80%左右的單件和小批量生產的自動化難題,50年代出現了數控機床。它綜合應用了電子、計算機、檢測、自動控制和機床結構設計等各個技術領域成就,它是典型的機電一體化產品。數控機床經過40年來的發展,品種日益增多,性能不斷完善,其中以輪廓控制的數控機床和帶有自動換刀裝置和工作臺能自動轉位的數控加工中心發展更為迅速。數控機床由控制介質、數控裝置、伺服系統和機床本體等部分組成,其中伺服系統的性能是決定數控機床加工精度和生產率的主要因素之一。

伺服系統在數控加工中的作用及組成

  在自動控制系統中,把輸出量能以一定準確度跟隨輸入量的變化而變化的系統稱為隨動系統,亦稱伺服系統。數控機床的伺服系統是指以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統,又稱為隨動系統。

 伺服系統由伺服驅動裝置和驅動元件(或稱執行元件伺服電機)組成,高性能的伺服系統還有檢測裝置,反饋實際的輸出狀態。

數控機床伺服系統的作用在于接受來自數控裝置的指令信號,驅動機床移動部件跟隨指令脈沖運動,并保證動作的快速和準確,這就要求高質量的速度和位置伺服。以上指的主要是進給伺服控制,另外還有對主運動的伺服控制,不過控制要求不如前者高。數控機床的精度和速度等技術指標往往主要取決于伺服系統。[1]

應用趨勢

  自動控制系統不僅在理論上飛速發展,在其應用器件上也日新月異。模塊化、數字化、高精度、長壽命的器件每隔3~5年就有更新換代的產品面市。傳統的交流伺服電機特性軟,并且其輸出特性不是單值的;步進電機一般為開環控制而無法準確定位,電動機本身還有速度諧振區,pwm調速系統對位置跟蹤性能較差,變頻調速較簡單但精度有時不夠,直流電機伺服系統以其優良的性能被廣泛的應用于位置隨動系統中,但其也有缺點,例如結構復雜,在超低速時死區矛盾突出,并且換向刷會帶來噪聲和維護保養問題。新型的永磁交流伺服電機發展迅速,尤其是從方波控制發展到正弦波控制后,系統性能更好,它調速范圍寬,尤其是低速性能。


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