探析伺服控制的結構類型及發展趨勢

段云海 湖南師大附中梅溪湖中學

探析伺服控制的結構類型及發展趨勢

段云海 湖南師大附中梅溪湖中學

隨著工業領域技術的不斷發展，以及全球各國之間的交流更加頻繁，這加快了我國進入工業時代的腳步，工業智能產品由原來的大量進口，到最近幾年國內出現很多自主研發的品牌產品，當然，產品還在不斷的完善研究當中。伺服產品在工業智能產品中有著非常重要的位置，很多工業設備中運用非常頻繁。本文從工業伺服系統的基本結構類型以及控制方式到目前發展現狀、未來的發展趨勢作出了總結。

伺服產品 目前現狀 發展趨勢

1 伺服控制基本概念

(1)伺服控制是實現電信號到機械運動的轉換裝置或部件，以位移、速度、加速度等參數為控制對象，在控制命令的指揮下，控制執行元件工作，使機械運動部件按照控制命令的要求進行運動，所以伺服控制是一種以機械參數作為被控量的自動控制系統。

(2)伺服控制也稱隨動控制，是一種能夠及時跟蹤輸入給定信號并產生動作，從而獲得精確的位置、速度等輸出的自動控制系統。大多數伺服系統具有檢測反饋回路，因而伺服控制是一種反饋控制系統。

2 伺服控制的基本類型

按控制原理的不同分為開環、全閉環和半閉環這三種基本類型伺服系統。

2.1 開環伺服系統

若伺服系統沒有檢測反饋信號的裝置則稱為開環伺服系統。開環伺服系統結構簡單，但精度不是很高，且速度也有一定的限制。雖然開環控制在精度方面有不足，但其結構簡單、成本低、調整和維修都比較方便，其工作穩定、可靠，因此在一些精度和速度要求不很高的場合，如線切割機、辦公自動化設備中獲得廣泛應用。

2.2 全閉環伺服系統

控制系統中將檢查裝置件直接安裝在移動部件上，直接測量移動部件的實際位移來進行位置反饋的系統稱為全閉環伺服系統。該系統是實現高精度位置控制的一種理想的控制方案，但實現起來難度很大，存在穩定性問題：由于全部的機械傳動鏈都被包含在位置閉環之中，機械傳動鏈的慣量、間隙、摩擦、剛性等非線性因素都會給伺服系統造成影響，從而使系統的控制和調試變得異常復雜，制造成本亦會急速攀升。因此，全閉環伺服系統主要一般用于高精密和大型的機電一體化設備。

2.3 半閉環伺服系統

控制系統中將檢查裝置件安裝在伺服電機軸或者傳動裝置末端，間接測量移動部件位移來進行位置反饋的系統稱為半閉環伺服系統。在半閉環伺服系統中，將編碼器和伺服電機作為一個整體，編碼器完成角位移檢查和速度檢測，而用戶無需考慮位置檢測裝置的安裝問題，這種系統調試較容易、穩定性好，具有較高的性價比，被廣泛應用于各種工業設備中。

3 交流AC伺服控制系統在我國的發展歷程及現狀

我國從1970年代開始跟蹤開發交流伺服技術，主要研究力量集中在高等院校和科研單位，以軍工、宇航衛星為主要應用方向，不考慮成本因素。主要研究機構是北京機床所、西安微電機研究所、中科院沈陽自動化所等。80年代之后開始進入工業領域，直到2000年，國產伺服停留在小批量、高價格、應用面狹窄的狀態，技術水平和可靠性難以滿足工業需要。2000年之后，隨著中國變成世界工廠、制造業的快速發展為交流伺服提供了越來越大的市場空間，國內伺服迅速發展。

由于微電子技術、電力電子技術、傳感器技術、永磁材料與控制理論的發展，目前已進入伺服技術的交流化時代，相繼開發出各種類型的AC伺服系統，并廣泛用于運動控制，在相當廣泛的范圍內，取代了步進電動機與直流伺服電動機驅動系統，時至當前，已成為伺服系統的主流。

4 伺服控制系統發展趨勢

綜合AC伺服系統的發展過程與現狀，可以看出AC伺服系統的發展趨勢主要表現為：

①伺服技術繼續迅速地由直流伺服系統轉向交流化。可以預見，在不遠的將來，AC伺服系統將完全取代直流伺服系統。

②AC伺服系統向兩大方向發展：一個方向是簡易、低成本AC伺服系統將迅速發展，應用領域進一步擴大。與此相反，另一個方向是向更高性能的全數字化、智能化軟件伺服的方向發展，這是AC伺服系統的發展主流，代表AC伺服系統發展的水平和主導方向。

③AC伺服系統中所用的電力電子器件不斷向高頻化方向發展，智能功率集成電路將進一步得到普遍應用。

④AC伺服系統中所用的位置與速度傳感器由單一功能向多功能一體化方向發展。傳感器的電子信號處理部分將以微處理器為核心構成獨立的微機系統，成為高性能AC伺服系統的一個關鍵組成部分；另一方面與簡易低成本AC伺服系統的發展相適應，小型低成本低分辨率傳感器也將得到更廣泛的應用。

⑤在AC伺服系統控制器的制造上，結構日趨小型化，采用多單元組合構成多坐標軸控制器，大板結構，可靠性進一步提高，便于維護及擴充。

[1]劉宏新.機電一體化技術[M].北京：機械工業出版社，2015：206.

[2]郭慶鼎，王成元.交流伺服系統[M].北京：機械工業出版社，1994：225.

段云海，姓別：男，民族：漢族，籍貫：湖南省長沙市，單位：湖南師大附中梅溪湖中學，研究方向：電子信息方面。