伺服电机控制技术的应用及发展

伺服电机控制技术的应用及发展

万启春 ,肖平欢 ,张涛 ,吴林玫 ,邱俊豪 ,李满舟

昆明物理研究所   云南昆明  650223

摘要：伺服电机控制技术主要以电机为核心，将电能转换为机械能，并且在航空、机械运转和运输行业中都有得到有效应用。伺服电机控制技术的应用能够缩减时间，提升数控系统计算性能，并且能够提升伺服系统运行的性能，实现向软件伺服控制系统的转变。为加强其应用效果和质量，本文对伺服电机控制技术的应用及发展进行探讨。

关键词：伺服电机控制技术；应用；发展

1伺服控制系统

伺服控制系统是一种能对试验装置的机械运动按预定要求进行自动控制的操作系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三种：

(1)按被控量参数特性分类

(2)按驱动元件的类型分类

伺服控制系统按所用控制元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统（液压控制系统）和气动伺服系统。

(3)按控制原理分类

伺服系统可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。

常见的四种伺服控制系统如下：

(1)液压伺服控制系统

液压伺服控制系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作，完成各种设备不同的动作需要。液压伺服控制系统按照偏差信号获得和传递方式的不同分为机-液、电-液、气-液等，其中应用较多的是机-液和电-液控制系统。按照被控物理量的不同，液压伺服控制系统可以分为位置控制、速度控制、力控制、加速度控制、压力控制和其他物理量控制等。液压控制系统还可以分为节流控制(阀控)式和容积控制(泵控)式。在机械设备中，主要有机-液伺服系统和电-液伺服系统。

(2)交流伺服控制系统

交流伺服控制系统包括基于异步电动机的交流伺服系统和基于同步电动机的交流伺服系统。除了具有稳定性好、快速性好、精度高的特点外，具有一系列优点。它的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。

(3)直流伺服控制系统

交流伺服控制系统的工作原理是建立在电磁力定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，它凭借控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。

(4)电液伺服控制系统

它是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。最常见的有电液位置伺服系统、电液速度控制系统和电液力(或力矩)控制系统。

以上是我们常用到的四种伺服系统，他们的工作原理和性能以及可以应用的范围都有所区别，各有自己的特点和优缺点。因此在选择或者购买的时候，就需要根据系统的需要以及需要控制的参数和实现的性能，通过计算后再选择合适的产品。

2伺服电机控制技术的应用

2.1转矩控制

转矩控制主要是利用输入外部模拟量或者是在地址上直接赋值的方式，对电机轴对外输出转矩进行调节，如10V与5N•m相对应，这时将外部模拟量设置为5V，那么电机轴输出则是2．5N•m。若电机轴负载小于2．5N•m，这时电机正转；如果外部负载等于2．5N•m，则电机不运转；如果电机轴负载大于2．5N•m，则电机反转。对于设定力矩大小的改变，可以通过对模拟量进行调整的方式来实现，也可以利用通信方式改变相应的地址数值。应用对象为材质受力要求比较严苛的缠绕和放卷，具体如光纤设备。

2.2位置控制

位置控制是以外部输入脉冲频率来明确转动速度，脉冲个数来明确转动角度。个别伺服可以直接采用通信的方式在速度与位移上实现赋值。因为位置模式对于速度、位置的控制十分严苛，因此在定位装置中的应用较多。

2.3速度模式

利用模拟量输入、脉冲频率等均能够有效控制转动速度。基于具备上位控制装置外环PID的控制，准确定位速度模式。但是，这一操作的实现需要将电机位置信号直接反馈给上位作为计算依据。位置模式也可以直接对外环检测位置信号进行负载，这时电机轴端编码器只是对电机转速进行检测，位置信号则由检测装置负责提供。如此一来，便可以将中间传动操作中存在的误差消除，提高系统的定位精准度。

2.4 3环控制

伺服电机内有3个环控，即闭环负反馈PID调节系统。位于最内侧的PID环即电流环，其运行环境为伺服驱动器内，利用霍尔装置检测驱动器负责电机各相的电流输出。负反馈对电流设定展开PID调节，以此使输出电流和设定电流尽量相等。换言之，电流环主要是对电机转矩进行控制，因此转矩模式涉及到的驱动器运算在三者中最小，且动态响应也最为迅速。第2环为速度环。利用电机编码器信号检测实现负反馈PID的调节，环内PID输出直接设置电流环，因此速度环控制过程中包括速度环和电流环。即不管何种模式都需要应用电流环，这是控制的基本。第3环为位置环，位于最外侧，构建于驱动器、电机编码器之间，或者是外部控制器、电机编码器之间，具体需结合实际状况进行确定。因为位置控制环内部输出直接设置速度环，所以位置控制模式系统内需要对这3个环进行运算。这时形成的运算量最大，动态响应速度非常迅速。

3伺服电机控制技术发展趋势

伺服电机技术从开始运用，到逐渐应用于数控系统中，最早可追溯到20世纪80年代。而交流伺服电机因为具有体积小的特点，对维修需求并不是很大，利用这一特点，能够对转速和功率起到很大的提升作用。现阶段，交流伺服电机控制系统在数字化控制市场中被广泛应用，并且开始逐步取代直流伺服电机控制技术。当下，交流伺服系统使用领域越来越广泛，而直流伺服系统相对落后，不能适应发展需求，逐步被交流伺服系统所取代，伺服系统开始向各家先进的数字化和微处理器方向发展。同传统系统相比，伺服系统计算速度得到了很大提高，采样时间上也得到了大大缩短，技术的不断创新发展，将伺服控制技术系统性能不断改善和提高，可靠性方面也得到了提升。另外，伺服系统调试功能复杂度有所降低，朝精度与技术更高方向发展。在以后的发展趋势中，交流伺服系统会占据主导地位，并且由于自身拥有众多优点，应用范围将会更为广泛，并且随着不断完善和创新，交流伺服系统会向着智能化、系统化以及数字化方向发展，为社会带来更大的经济效益。

4结束语

伺服电机控制技术结合了通信技术、电力电子技术等先进技术，对于控制技术水平的提升和发展发挥了极大的推动作用。随着伺服电机控制技术的广泛应用，未来必将朝着智能化、信息化以及高精密等方向不断前进，从而设计、生产出质量更高的数控产品。

参考文献

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