伺服電機控制技術的應用與發展

黃新宇

【摘 要】現階段，隨著社會的發展，我國的科學技術的發展也有了很大的進步。電機的主要功能是將電能轉變為機械能，應用領域非常廣泛，涉及航空、機械運轉以及運輸等多個行業。電力電子技術水平的不斷提升，使電機功能更加多樣化，尤其是在信息時代下，更體現了智能化的特點。電機為電機控制技術發展提供推動力，使其可以更加多方位地滿足安全需求。處理器和數字化伺服系統的協調發展，相應提高了數控系統計算性能，達到了縮減時間的目的。硬件伺服控制系統實現了向軟件伺服控制系統的轉變，提高了伺服系統運行性能。這些變革都為加工技術提供了推動力。

【關鍵詞】伺服電機；控制技術；應用與發展

1 伺服控制系統

1.1 開環伺服系統

開環伺服系統中并未設置檢測反饋設備，因此也不存在運動反饋控制回路。一旦設備發出了脈沖指令，這時電動機便開始運行。雖然可能存在運動誤差，但是不會做出任何信息錯誤反饋。期間，步進電動機在開環伺服中是最為關鍵的驅動部件。步進電機在步距角精度、機械傳動精度等方面具有極大優勢，直接關系到開環系統的精準度。通常，針對開環系統精準度沒有過高要求。盡管步進電動機的轉速不高，部件運行期間也存在限制，但其結構精簡、可靠性高、制造成本低，所以為控制電路賦予了簡單的特點。因此，開環控制系統內部沒有對精度和速度提出嚴格要求的裝置，一般會使用步進電動機。

1.2 半閉環伺服系統

該系統中的主要裝置為無刷旋轉變壓器，用以檢測位置、速度，而最關鍵的部件是裝載中放置的脈沖編碼器。電機軸中裝載了系統內全部反饋信號，此外也包括負責系統機械傳動的裝置。非線性因素不會對系統運行造成影響，相反還會為安裝調試提供便利。機械傳動裝置精準度與半閉環伺服系統定位精準度有直接關系，即便是機械傳動裝置的精度低，但是通過數控裝置中具備的誤差補償和間隙補償兩種功能，也會提升其精準度。所以，半閉環伺服系統更多被應用于數控機床。

圖1所示是伺服電機控制系統，它以C8051F060為核心，同時還有顯示電路、編碼器、編碼器處理電路、RS485通信電路、伺服電機驅動電路、伺服電機。

2 伺服電機控制技術的應用

2.1 在控制精準度的應用

全數字交流伺服是以2000線編碼器為標準，控制交流伺服則更能體現控制精準度，將旋轉編碼器安裝在交流伺服電機電機軸后方。驅動器的安裝使用四倍頻技術，脈沖量為0.045o。在數字化伺服電機系統中，如果使用17編碼器其脈沖量可以換算為1.8的步距角，為0.0027466o，電動機旋轉1圈接收一次131072個脈沖。兩相混合式和五相混合式是步進電機的兩種形式，兩相混合式步進電機的脈沖量數據較小，脈沖量為1/655.相比之下。其中，兩相混合式性能較高，步距角則主要以1.8o、0.9o為主經過細分之后，性能較高的二相混合式步進電機步距角更小，可以有效實現五相混合式、普通二相混合式步距角的兼容，五相混合式步距角是以0.72o、0.36o為主；諸如0.072o、0.18o、0.9o等二相混合式在設置步距角時，可以利用撥碼開關的方式。

2.2 在低頻特性的應用

受工作原理出現低頻振動狀態對步進電機正常運轉很大。低頻振動與電機系統內的振動頻率和負載情況、驅動器性能有很大的關系，在低速運轉過程中，其主要存在于步進電機中。振動頻率是電機空載起跳頻率的1/2，控制低頻振動通常會使用阻尼技術來提升步進電機運轉狀態。如：在控制過程中，利用驅動器中細分技術或通過設置阻尼器等。但如果電機處于低速運轉狀態中，為了使其運轉更為穩定，通常使用交流伺服電機技術，這樣不會造成低頻振動問題。交流伺服電機系統攜帶著共振抑制功能，具備頻率解析功能，可以有效彌補機械剛性中存在的不足，能夠避免發生共振問題，有效監測出機械共振點。

2.3 伺服電機控制方法

首先，對于電機軸來說，轉矩控制主要具有調節對外輸出轉矩的作用，利用輸入外部模擬量或者在地址上直接賦值的方式，如：10V與5N·m相對應時，電機軸輸出為2.5N·m，外部模擬量設置為5V。當電機軸負載大于2.5N·m時，電機反轉；當電機軸負載小于2.6N·m時，電機不會運轉。并且通過通信方式或對模擬量進行調整的方式，可以改變設定矩的大小，改變相應的地址數值。但諸如光纖設備等應用對象為材質受力要求則比較嚴苛的纏繞和放卷。其次，位置控制的轉動速度、角度，是以外部輸入脈沖頻率、個數來明確的。由于位置模式對于速度、位置的控制十分嚴苛，在速度和位移上，個別伺服可以直接采用通信的方式實現賦值。因此在定位裝置中應用較多。為了控制轉動的速度，氣門利用了模擬量輸入、脈沖頻率等技術。上位控制裝置外環PID能夠準確定位速度，但這一操作的計算依據需要將電機位置信號直接反饋給上位。檢測裝置負責提供位置信號，電機轉速的檢測可以由電機軸端編碼器負責，位置模式可以直接對外環檢測位置信號進行負載。如此一來，可以提升系統的定位精準度，消除中間傳動操作中存在的誤差。

3 伺服電機控制技術的發展前景

電機控制專用繼承電路是企業設計伺服電機最普遍的形式，設計軟件主要為復雜可編程邏輯器件和現場可編程邏輯陣列。并且在設計電機控制集成電路時，需要依據用戶、電子系統要求。該電路能夠實現操作邊界的有效掃描，特點在于用戶現場可操控編程。電機控制專用集成電路具有設計、生產時間短等特征，主要體現在制定用戶要求、數量少等方面。與通用電路相比，集成電路電子技術和用戶積淀系統生產出來的產品，重量情、成本低、體積小、功耗低，但質量高。并且在電機控制MCU設計、電機控制DSP設計等方面，伺服電機控制技術也有所體現。交流伺服電動機屬于無刷結構，提升功率與轉速快、維修幾率小。20世紀80年代中，伺服電機控制技術已經融合催化加工技術，并且在今后的發展中也會獲得很大的發展。如：在數控系統中，伺服電機驅動已經逐漸應用起來。如今，交流伺服系統主要替換了直流伺服系統，實現了在諸多領域的應用。今后伺服電機控制技術的發展方向，就是在數控操作系統中全面實現直流伺服系統取締工作，硬件設備控制能夠替代軟件中應用的控制。

4 結語

綜上所述，伺服電機控制技術具有綜合性特點，其中結合了通信技術、電力電子技術等，對于控制技術水平的提升和發展發揮了極大的推動作用。隨著伺服電機控制技術的廣泛應用，未來必將朝著智能化、信息化以及高精密等方向不斷前進，從而設計、生產出質量更高的數控產品。

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（作者單位：中車永濟電機有限公司）