交流伺服技術在機電一體化產品中的應用分析

摘要：本文詳細論述了AC伺服技術目前在我國和國外的應用現狀，通過對比，進而展望了其未來的發展方向。

關鍵詞：AC伺服技術；應用；發展

中圖分類號：TM921.541 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 (2012) 10-0241-01

一、AC伺服技術的發展現狀

目前，AC伺服電動機驅動系統被廣泛應用于機電一體化產品的設計中。這就要求設計者充分了解AC伺服技術。永磁同步交流伺服電機(PMSM)和感應異步交流伺服電機(IM)是現階段比較常見的交流伺服系統的電動機。PMSM成為了伺服系統選擇的首選，其較大的調速范圍、較大效率和較好的動態特性受到了一致好評，雖然異步伺服電機相對來說具有成本優勢，但只在大功率場合得到重視。

交流伺服系統的應用涉及到社會各個領域，最初是應用在宇航和軍事領域，后來隨著科學技術水平的不斷提升，交流伺服系統逐漸向工業和民用領域滲透。工業應用主要集中在高精度數控機床和其他重要的數控機械上，比如，紡織機械、醫療機械、專用大型技術生產設備、生產流水線等等。目前，永磁無刷伺服電機蓬勃發展起來，已經逐步替代了步進電機，永磁交流直線伺服系統開始廣泛應用于高精度的機電一體戶成品中，如何提高效率和速度也成為當前研究的熱點，高速永磁交流伺服取代異步變頻驅動的研究也是當前業內主要研究的方向之一。

二、伺服系統產品及應用

（一）對伺服控制的基本要求

在AC伺服技術的實際應用中，關鍵是要控制運動速度和位置，這一問題最終轉化為對驅動機構運動的AC伺服電動機進行速度和位置控制。伺服系統按其功能可分為：進給伺服系統和主軸伺服系統。主軸伺服系統主要負責控制主軸轉動，進給伺服系統主要控制移動部件的位置和速度，通常由伺服驅動裝置、伺服電機、機械傳動機構及執行部件組成。

一般來說，伺服系統位置實際值是由位置傳感器檢測的，半閉環控制一般采用電機后自帶編碼器提供的脈沖信號作為反饋信號，因為此信號反饋的不是絕對位置，所以稱為半閉環。而全閉環依靠電機外的光柵尺等反饋的絕對位置信號作為反饋信號，可以達到絕對反饋，稱為全閉環。 理論上，全閉環理論上精度比較高，實際上比較難實現，對模型要求比較高，一般都是用半閉環，但是半團環控制方法是采用PID，模擬的精度難保證，不穩定。全閉環控制的過程描述如下，位置傳感器首先檢測運動機構的位置，接收信息之后進而反饋給輸入端，通過接收信息與位置指令的對比，進而調整和控制電動機轉矩。從而導致位置發生移動變化。半閉環控制的位置檢測器安裝在電動機軸上，是一種間接探測運動機構位置的控制方法，電動機軸的角位移是主要的檢測數據。

在控制策略方面，電壓頻率控制方法和開環次通軌跡控制方法都是基于電極穩態數學模型的，但是缺點就是伺服特性不穩定。矢量控制，即通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理控制勵磁電流和轉矩電流，最終實現對異步電動機轉矩的控制，是目前核心控制方法。矢量控制方法往往與其他控制方法聯合使用，比如在矢量控制的基礎上，附加反饋線性化控制、自適應控制等等。近些年來，無位置傳感器技術逐漸成為研究熱點。但是無位置長安其技術僅僅適用于速度精度要求不高的場所，比如，縫紉機伺服控制等，因為其調速比大約為1:100。控制單元作為交流伺服系統的控制核心，主要控制 著速度、轉矩和電流等。數字信號處理器(DSP)具有較快的數據處理速度，其集成電路的功能也很強大，逐漸成為了智能控制領域的新寵。

（二）伺服系統在行業中的應用

德國西門子有一套高精度、高動態響應的控制系統，其優點是控制循環周期短，并且可以對應0.2KW到18.5KW的所有應用領域，它就是SIMOVERT MASTERDRIVES MC-C 緊湊增強型運動控制驅動器。它的性能大大超過同類產品，能夠輕易的實現快速、準確的驅動控制。基于此，西門子的這種緊湊增強型運動控制驅動器可作為智能控制的一部分。MC-C驅動器采用當前先進的32位數字控制技術，保證其高精度、高動態響應；它還具有超高的過載因數能夠幫助您應對高難度的產品應用，它的過載能力達到了250ms內300%。安全應用方面當然也不會被忽略，性能優越、體積袖珍集成式的安全保護裝置具有緊急停止功能，有效地保障了所有功能的安全使用。軟件使用方面，驅動器應用BICO 技術，輕巧的實現開閉環控制。驅動器能獲得超高的動態響應是源自Performance 2，它能夠有效減少允許電流和轉速控制器的計算時間到100μs，而功能模塊的計算時間也都在1.6ms左右，這就是為什么驅動器的動態響應如此之高快靈了。

隨著我國伺服系統技術的快速發展，伺服驅動系統在性能和質量方面都有了很大提升，其進給功率可以實現最小20W，最大7.5W，主軸功率范圍也從3.5KW到22KW。伺服驅動器的硬件要求具備完善的故障軟、硬件保護功能模塊，包括防止短路、過壓、過熱等。可靠性好、體積小、方便操作使用的DSP、FPGA、IPM等硬件的使用就能夠比較好的實現上述要求

三、伺服系統技術發展趨勢

與國外伺服驅動系統產品相比，我國伺服技術起步比較晚，發展不夠成熟，產品的性能還同發達國家有一定的差距。尤其是高性能的伺服驅動技術方面，差距尤其明顯。目前，高檔數控系統產業不斷發展的同時，也越來越關注高速、高精控制的實現效果。我國伺服系統在高速數字化網絡接口的研發、脈沖式控制接口的自身缺陷突破等方面都亟待改進。

模擬控制系統是目前發展比較成熟和完善的一類電動機控制技術。其既可以用于交流伺服電動機控制也可以用于直流伺服電動機控制，目前被廣泛應用于數控機床等機電一體化的裝置中。隨著科學技術的不斷發展，機電一體化產品對伺服控制技術要求也日益提高，模擬控制技術的不夠精準的缺陷成為了其發展的瓶頸，數字控制技術發展是未來的必然趨勢。相信，在不久的將來，隨著微處理器技術的進步和成本的有效控制，數字控制憑借其精準的特性一定會得到廣泛的利用前景。

參考文獻：

[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統.北京:機械工業出版社，2005，1:97-255

[2]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計（修訂版）[M].北京:電子工業出版社，2004