吳舉秀　張愛英　田秀剛

摘要：本文主要介紹了伺服系統(tǒng)的三個(gè)發(fā)展階段，包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)階段、直流伺服電動(dòng)機(jī)閉環(huán)伺服系統(tǒng)階段、無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)階段，并分析了伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)：交流化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、小型化。

關(guān)鍵詞：伺服；智能化；小型化

伺服系統(tǒng)也叫位置隨動(dòng)系統(tǒng)，它的根本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)械對(duì)位置指令（給定量）的準(zhǔn)確跟蹤，當(dāng)給定量隨機(jī)變化時(shí)，系統(tǒng)能使被控制量準(zhǔn)確無誤地跟隨并復(fù)現(xiàn)給定量，是一個(gè)位置反饋控制系統(tǒng)[1]，主要包括電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器兩部分，廣泛用于航空、航天、國(guó)防及工業(yè)自動(dòng)化等自動(dòng)控制領(lǐng)域。隨著電力電子、控制理論、計(jì)算機(jī)術(shù)等技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的不斷提高，伺服系統(tǒng)近年來獲得了迅速發(fā)展。

1伺服系統(tǒng)的發(fā)展階段

伺服系統(tǒng)的發(fā)展與伺服電動(dòng)機(jī)的不同發(fā)展階段相聯(lián)系，由直流電機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)是直流伺服系統(tǒng)，由交流電機(jī)構(gòu)成伺服系統(tǒng)是交流伺服系統(tǒng)。伺服電動(dòng)機(jī)至今經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段：

1.1 第一個(gè)發(fā)展階段（20世紀(jì)60年代以前）：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，位置控制為開環(huán)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72°、0.36°。

步進(jìn)電機(jī)存在一些缺點(diǎn)：在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象；一般不具有過載能力；步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。

1.2 第二個(gè)發(fā)展階段（20世紀(jì)60-70年代）：直流伺服電動(dòng)機(jī)閉環(huán)伺服系統(tǒng)

由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，很多高性能驅(qū)動(dòng)裝置采用了直流電動(dòng)機(jī)，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開環(huán)系統(tǒng)發(fā)展成為閉環(huán)系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用領(lǐng)域，永磁式直流電動(dòng)機(jī)占統(tǒng)治地位，其控制電路簡(jiǎn)單，無勵(lì)磁損耗，低速性能好。

1.3 第三個(gè)發(fā)展階段（80年代至今）：無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)

由于伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)及其材料、控制技術(shù)的突破性進(jìn)展，出現(xiàn)了無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)等種種新型電動(dòng)機(jī)。交流伺服電機(jī)包括永磁同步電機(jī)和感應(yīng)式異步電機(jī)，由永磁同步電機(jī)構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)在技術(shù)上己趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能，并可實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動(dòng)的要求。又因?yàn)槲㈦娮蛹夹g(shù)的快速發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)的控制方式也迅速向微機(jī)控制方向發(fā)展，并由硬件伺服轉(zhuǎn)向軟件伺服或智能化的軟件伺服。利用PWM技術(shù)能夠方便地控制輸出電壓的幅值、相位、頻率，PWM技術(shù)己成為現(xiàn)代交流伺服的基礎(chǔ)性技術(shù)。[2] 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，控制性能可靠。交流伺服電機(jī)具有控制精度較高、運(yùn)行性能好、較強(qiáng)的過載能力等特點(diǎn)。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能，可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。

交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在的主要問題是交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的低速穩(wěn)定性問題，它是制約速度控制特性的主要問題，而提高速度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，降低轉(zhuǎn)速波動(dòng)，改善速度的控制特性是伺服驅(qū)動(dòng)控制的主要目標(biāo)[3]。

2伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

2.1交流化

目前國(guó)際市場(chǎng)上，幾乎所有的新產(chǎn)品都是交流伺服系統(tǒng)，其中Kollmorgen公司的"金系列"代表了當(dāng)代永磁交流伺服技術(shù)的最新水平，在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)交流伺服電機(jī)廠家也越來越多。

2.2智能化

智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢(shì)，最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設(shè)計(jì)為智能型產(chǎn)品[4]，它們的智能化特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:首先他們都具有參數(shù)記憶功能，系統(tǒng)的所有運(yùn)行參數(shù)都可以通過人機(jī)對(duì)話的方式用軟件來設(shè)置，保存在伺服單元內(nèi)部，通過通信接口，這些參數(shù)可以在運(yùn)行途中由上位計(jì)算機(jī)加以修改；其次它們都具有故障自診斷與分析功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，它會(huì)將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶界清楚顯示出來，這就簡(jiǎn)化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性；有的伺服系統(tǒng)還具有參數(shù)自整定的功能。

2.3 小型化

目前，伺服系統(tǒng)一般將整個(gè)控制回路裝在一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表里，將伺服電機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)儀表控制器安裝為一體。伺服系統(tǒng)一體化，使得它的安裝與調(diào)試工作都得到了簡(jiǎn)化；將整個(gè)控制回路裝在一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表里，又減少了因信號(hào)傳輸中的泄露和干擾等因素對(duì)系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性。而且最新型的伺服控制系統(tǒng)己經(jīng)開始使用智能控制功率模塊IPM ，這種器件將輸入隔離、能耗制動(dòng)、過溫、過壓、過流保護(hù)及故障診斷等功能全部集成在一個(gè)不大的模塊之中。它的應(yīng)用顯著地簡(jiǎn)化了伺服單元的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。

2.4網(wǎng)絡(luò)化

國(guó)際上以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動(dòng)化工程技術(shù)在最近十年來得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，交流伺服系統(tǒng)也應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口（如RS-232）和專用的局域網(wǎng)接口，以增強(qiáng)其與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力，只需要一根電纜或光纜，就可以將數(shù)臺(tái)、甚至數(shù)十臺(tái)伺服單元與上位計(jì)算機(jī)連接成為整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線企業(yè)網(wǎng)作為今后控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，以其所具有的開放性，網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，使它與INTRENET的結(jié)合成為可能，現(xiàn)在許多最新的伺服產(chǎn)品都具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口。

3結(jié)束語

相信隨著材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的逐步提高，伺服系統(tǒng)必將獲得更加的快速發(fā)展，智能化、網(wǎng)絡(luò)化的交流伺服系統(tǒng)正成為現(xiàn)代伺服領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M] 1991：151-153.

[2]史敬灼，徐殿國(guó)，王宗培 應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)的脈寬調(diào)制技術(shù) 微電機(jī)[J] 2003，36（3）：36-40

[3]李葉松，鄧忠華等 交流伺服系統(tǒng)速度高精度特性的研究 華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)[J] 1994，22(4):89-93

[4]宋寶，唐小琦，吳建昆 全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)與研究機(jī)械與電子[J] 2004( 1)：39-41

作者簡(jiǎn)介：吳舉秀（1974-），女，碩士研究生，講師，濟(jì)南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：工業(yè)過程智能檢測(cè)與控制。