伺服電機控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

李學(xué)剛

摘要：本文主要對伺服電機控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展進行研究，以期能夠為促進機電技術(shù)的發(fā)展提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：機電技術(shù);伺服控制技術(shù);應(yīng)用;發(fā)展前景

1伺服控制系統(tǒng)

1.1開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試維護容易，內(nèi)部沒有運動反饋的控制回路，工作穩(wěn)定、成本低，沒有檢測的反饋裝置。當(dāng)運動有錯誤時，電動機也會隨著裝置發(fā)出脈沖指令進行工作，并且還會修正錯誤，作出信息錯誤反饋。在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，步進電動機是主要驅(qū)動部件，其步距角精度、機械的傳動精度能夠影響開環(huán)系統(tǒng)的精度。一般情況下，一些對精度和速度要求不高的設(shè)備中，開環(huán)伺服系統(tǒng)都會用到步進電動機。

1.2半閉環(huán)伺服系統(tǒng)安裝調(diào)試比較方便，主要由無刷旋轉(zhuǎn)變壓器、測量速度的發(fā)電機構(gòu)成。其中，無刷轉(zhuǎn)變壓器最主要的器件還是裝載內(nèi)部的脈沖編碼器，不會受一些非線性因素的影響，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機械傳動的控制。并且電機軸或者絲桿上裝載整個系統(tǒng)中所有的反饋信號，一般都是用來位置或者速度的檢測器件，能夠給系統(tǒng)進行機械傳動的機制。在數(shù)控機床中，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，在機械轉(zhuǎn)動裝置精度不高的情況下，機械轉(zhuǎn)動裝置的精度可以作為整個半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度，為了達到要求的高度，數(shù)控裝置內(nèi)部的誤差補償功能和間隙補償功提升加工的精度。

1.3全閉環(huán)伺服系統(tǒng)是由各種裝置組成，即：比較環(huán)節(jié)、伺服驅(qū)動放大器、機械傳動裝置、進給伺服電動機以及直線位移測量裝置等。其中，全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的驅(qū)動部件能夠監(jiān)測、反饋修正機床運動部件的移動量，即：直流伺服電動機或者交流伺服電動機。在測量機床部件時，能夠構(gòu)成一個較高精度的全閉環(huán)控制位置系統(tǒng)，可以直接利用安裝在工作臺的光棚或者感應(yīng)同步器。在整個全閉環(huán)系統(tǒng)中，可以在移動的部件上，安裝直線位移檢測器，也就是說，這個位移檢測器的精度和靈敏度就是移動部件測量精度、靈敏度，同樣加工精度也相對地得到了提升。但機械傳動裝置之間的一些非線性因素，會影響整體的穩(wěn)定性，如：摩擦阻尼、裝置剛度以及反向間隙等。并且在整個全閉環(huán)伺服電機系統(tǒng)中，安裝和調(diào)試全閉環(huán)伺服系統(tǒng)過程非常復(fù)雜。

2伺服電機控制技術(shù)的應(yīng)用

2.1在控制精準(zhǔn)度的應(yīng)用

全數(shù)字交流伺服是以2000線編碼器為標(biāo)準(zhǔn)，控制交流伺服則更能體現(xiàn)控制精準(zhǔn)度，將旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在交流伺服電機電機軸后方。驅(qū)動器的安裝使用四倍頻技術(shù)，脈沖量為0.045?。在數(shù)字化伺服電機系統(tǒng)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0.0027466?，電動機旋轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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1.8?、0.9?為主經(jīng)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(xiàn)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0.72?、0.36?為主;諸如0.072?、0.18?、0.9?等二相混合式在設(shè)置步距角時，可以利用撥碼開關(guān)的方式。

2.2在低頻特性的應(yīng)用

受工作原理出現(xiàn)低頻振動狀態(tài)對步進電機正常運轉(zhuǎn)很大。低頻振動與電機系統(tǒng)內(nèi)的振動頻率和負載情況、驅(qū)動器性能有很大的關(guān)系，在低速運轉(zhuǎn)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(shù)來提升步進電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)。如：在控制過程中，利用驅(qū)動器中細分技術(shù)或通過設(shè)置阻尼器等。但如果電機處于低速運轉(zhuǎn)狀態(tài)中，為了使其運轉(zhuǎn)更為穩(wěn)定，通常使用交流伺服電機技術(shù)，這樣不會造成低頻振動問題。交流伺服電機系統(tǒng)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(fā)生共振問題，有效監(jiān)測出機械共振點。

2.3在過載能力的應(yīng)用

交流伺服電機具備非常高的速度過載能力和轉(zhuǎn)矩過載能力，步進電機并沒有過載性能，而交流伺服電機能夠體現(xiàn)出較強的過載能力，如：SANYO步進電機。因此，在實踐過程中，一般會選擇大機型電機，才能克服啟動時產(chǎn)生的慣性力矩。但是在實際應(yīng)用期間，很容易導(dǎo)致力矩浪費，不需要過高的電機轉(zhuǎn)矩。

2.4伺服電機控制方法首先，對于電機軸來說，轉(zhuǎn)矩控制主要具有調(diào)節(jié)對外輸出轉(zhuǎn)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(yīng)時，電機軸輸出為2.5N·m，外部模擬量設(shè)置為5V。當(dāng)電機軸負載大于2.5N·m時，電機反轉(zhuǎn);當(dāng)電機軸負載小于2.6N·m時，電機不會運轉(zhuǎn)。并且通過通信方式或?qū)δM量進行調(diào)整的方式，可以改變設(shè)定矩的大小，改變相應(yīng)的地址數(shù)值。但諸如光纖設(shè)備等應(yīng)用對象為材質(zhì)受力要求則比較嚴苛的纏繞和放卷。其次，位置控制的轉(zhuǎn)動速度、角度，是以外部輸入脈沖頻率、個數(shù)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(xiàn)賦值。因此在定位裝置中應(yīng)用較多。為了控制轉(zhuǎn)動的速度，氣門利用了模擬量輸入、脈沖頻率等技術(shù)。上位控制裝置外環(huán)PID能夠準(zhǔn)確定位速度，但這一操作的計算依據(jù)需要將電機位置信號直接反饋給上位。檢測裝置負責(zé)提供位置信號，電機轉(zhuǎn)速的檢測可以由電機軸端編碼器負責(zé)，位置模式可以直接對外環(huán)檢測位置信號進行負載。如此一來，可以提升系統(tǒng)的定位精準(zhǔn)度，消除中間傳動操作中存在的誤差。另外，伺服電機內(nèi)有閉環(huán)負反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，PID環(huán)即電流環(huán)位于最內(nèi)側(cè)，利用霍爾裝置檢測驅(qū)動器負責(zé)電機各相的電流輸出，運行環(huán)境為伺服驅(qū)動器內(nèi)。為了使輸出電流和設(shè)定電流盡量相等，負反饋對電流設(shè)定展開PID調(diào)節(jié)。也就是說，由于電流環(huán)控制著電機轉(zhuǎn)矩，因此，轉(zhuǎn)矩模式動態(tài)響應(yīng)最為迅速，在三者中驅(qū)動器運算最小。第2環(huán)利用電機編碼器信號監(jiān)測實現(xiàn)負反饋PID的調(diào)節(jié)，為速度環(huán)。并且在速度環(huán)控制過程中，由于環(huán)內(nèi)PID輸出直接設(shè)置電流環(huán)，因此，包括速度環(huán)和電流環(huán)。第3環(huán)為位置環(huán)，需要結(jié)合狀況進行確定，構(gòu)建于外部控制器、電機編碼器或驅(qū)動器、電機編碼器之間，位于最外側(cè)。位置控制模式系統(tǒng)內(nèi)需要對這3個環(huán)進行運算，這是由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出直接設(shè)置速度環(huán)所造成的，這時，動態(tài)響應(yīng)速度非常迅速，形成的運算量最大。3伺服電機控制技術(shù)的發(fā)展前景

電機控制專用繼承電路是企業(yè)設(shè)計伺服電機最普遍的形式，設(shè)計軟件主要為復(fù)雜可編程邏輯器件和現(xiàn)場可編程邏輯陣列。并且在設(shè)計電機控制集成電路時，需要依據(jù)用戶、電子系統(tǒng)要求。該電路能夠?qū)崿F(xiàn)操作邊界的有效掃描，特點在于用戶現(xiàn)場可操控編程。電機控制專用集成電路具有設(shè)計、生產(chǎn)時間短等特征，主要體現(xiàn)在制定用戶要求、數(shù)量少等方面。與通用電路相比，集成電路電子技術(shù)和用戶積淀系統(tǒng)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，重量輕、成本低、體積小、功耗低，但質(zhì)量高。并且在電機控制MCU設(shè)計、電機控制DSP設(shè)計等方面，伺服電機控制技術(shù)也有所體現(xiàn)。交流伺服電動機屬于無刷結(jié)構(gòu)，提升功率與轉(zhuǎn)速快、維修幾率小。20世紀80年代中，伺服電機控制技術(shù)已經(jīng)融合催化加工技術(shù)，并且在今后的發(fā)展中也會獲得很大的發(fā)展。如：在數(shù)控系統(tǒng)中，伺服電機驅(qū)動已經(jīng)逐漸應(yīng)用起來。如今，交流伺服系統(tǒng)主要替換了直流伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)了在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。今后伺服電機控制技術(shù)的發(fā)展方向，就是在數(shù)控操作系統(tǒng)中全面實現(xiàn)直流伺服系統(tǒng)取締工作，硬件設(shè)備控制能夠替代軟件中應(yīng)用的控制。

參考文獻：

[1]王高理.伺服電機控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].輕工科技，2019，35（02）：64-65.

[2]沈霆.伺服電機控制技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨向分析[J].通信電源技術(shù)，2018，35（03）：155-156.