伺服控制系统优势及发展趋势

摘要：伺服控制系统作为现代工业生产设备的重要控制系统之一，是当前工业自动化不可缺少的主要组成部分。本文在总结了当前伺服控制系统的发展趋势和研究与应用成果的基础上，对伺服控制系统的未来发展进行了展望。

1前言

随着现代科学技术的快速发展，尤其是微电子、电力半导体、计算机和电机制造技术等所取得技术进步，使得位置伺服在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，并扮演了重要的支柱技术角色的自动化控制系统，如机器人、激光加工、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、雷达和各种军用武器随动系统、以及柔性制造系统(fms-flexiblemanufacturingsystem)等。

伺服控制系统作为现代工业生产设备的控制系统之一，是工业自动化不可缺少的基础技术。位置伺服控制系统，一般是以足够的位置控制精度(定位精度)、位置跟踪精度(位置跟踪误差)和足够快的跟踪速度作为它的主要控制目标。系统运行时要求能以一定的精度随时跟踪指令的变化，因而系统中伺服电动机的运行速度常常是不断变化的。故伺服系统在跟踪性能方面的要求一般要比普通调速系统高且严格得多。由于直流电动机存在电刷和换向器的限制，以及直流伺服系统生产、维护成本高。伴随着新的件和电机控制方法的出现，伺服系统的已经广泛地替代了直流伺服系统。

2伺服系统分类

伺服系统根据处理信号的方式不同，大致可以分为数字模拟混合式伺服、模拟式伺服和全数字式伺服；若根据所使用的伺服电动机的种类不同，又可分为三种：一种是用永磁同步伺服电动机构成的伺服系统，包括方波永磁同步电动机（无刷直流机）伺服系统和正弦波永磁同步电动机伺服系统；另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。二者的不同之处在于永磁同步电动机伺服系统中需要采用磁极位置传感器而感应电动机伺服系统中含有滑差频率计算部分。若采用微处理器软件实现伺服控制，可以使永磁同步伺服电动机和鼠笼型异步伺服电动机使用同一套伺服放大器。

3伺服电机的优势

步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式伺服系统的出现，伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。主要存在以下几点区别。

1控制精度不同

伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

2矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

3低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。

4运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

5速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

4伺服系统与数字化控制的优点

目前，伺服系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微机实现的。这是因为基于微机实现的数字伺服与模拟伺服相比，具有下列优点：

(1)可显著改善控制的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时(mtbf)大大长于分立元件电子电路。

(2)能明显地降低硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现，硬件费用会变得很便宜。体积小、重量轻、耗能少是它们的共同优点。

(3)数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。

(4)采用微处理机的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位系统机联运，可随时改变控制参数。

(5)硬件电路易标准化。在电路集成过程中采用了一些屏蔽措施，可以避免电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，因此可靠性比较高。

(6)可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法;以满足不同的用途。软件模块可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。

(7)随着微机芯片运算速度和存贮器容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。

(8)提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力,使伺服系统更趋于智能化。

5伺服系统的发展现状和展望

近10年来，永磁同步动机性能快速提高，与感应电动机和普通同步电动机相比，其控制简单、良好的低速运行性能及较高的性价比等优点使得永磁无刷同步电动机逐渐成为伺服系统执行电动机的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服领域。而交流异步伺服系统仍主要集中在性能要求不高的、大功率伺服领域。

伺服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性及时变性的“系统”，同时伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时受到不同程度的干扰，因此按常规控制策略很难满足高性能伺服系统的控制要求。为此，如何结合控制理论新的发展，引进一些先进的“复合型控制策略”以改进“”性能是当前发展高性能伺服系统的一个主要“突破口”。

自20世纪80年代后期以来，随着现代工业的快速发展，对作为工业设备的重要驱动源之一的伺服系统提出了越来越高的要求，研究和发展高性能伺服系统成为国内外同仁的共识。有些努力已经取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作电机材料的性能，改进电机结构，提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向和努力。“软形式”上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。如采用“卡尔曼滤波法”估计转子转速和位置的“无速度传感器化”；采用高性能的永磁材料和加工技术改进PMSM转子结构和性能，以通过消除/削弱因齿槽转矩所造成的PMSM转矩脉动对系统性能的影响；采用基于现代控制理论为基础的具有将强鲁棒性的滑模控制策略以提高系统对参数摄动的自适应能力；在传统PID控制基础上进入非线性和自适应设计方法以提高系统对非线性负载类的调节和自适应能力；基于智能控制的电机参数和模型识别，以及负载特性识别。

对于发展高性能伺服系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形式”存在的伺服电机、逆变器以相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因数的制约；而以“软形式”存在的控制策略具有较大的柔性，近年来随着控制理论新的发展，尤其智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术的迅猛发展，使得基于智能控制的先进控制策略和基于传统控制理论的传统控制策略的“集成”得以实现，并为其实际应用奠定了物质基础。

6结论

21世纪将是各项科学技术飞速发展的世纪。随着材料技术、电力电子技术、控制科学和理论技术、微电子技术、计算机技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，同时伴随着制造业的不断提升和“柔性制造技术”的飞速发展，相信必将带动“柔性加工和制造技术”的核心技术之一的“伺服驱动控制技术”走向一更好的发展方向。