伺服控制系统课程论文

伺服控制系统课程作业
现代伺服系统综述
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摘要
在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统。

伺服系统也叫位置随动系统，以精确运动控制和力能输出为目的，综合运用机电能量变换与驱动控制技术、检测技术、自动控制技术、计算机控制技术等，实现精确驱动与系统控制。

伺服系统主要包括电机和驱动器两部分，广泛用于航空、航天、国防及工业自动化等自动控制领域。

伺服系统按其驱
动元件划分有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统和交流电动机伺服系统。

随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术、电机永磁材料制造工艺的发展及电力电子、控制理论的应用，交流电动机伺服系统近年来获得了迅速发展，广泛用于工业生产的各个领域，如数控机床的进给驱动和工业机器人的伺服驱动等。

因此，在相当大的范围内，交流电动机伺服系统取代了步进电动机与直流电动机伺服系统，时至目前，具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美，已成为伺服系统的主流。

关键词：伺服系统自动控制驱动元件
1 伺服系统的发展阶段
伺服系统的发展与它的驱动元件——伺服电动机的不同发展阶段相联系，并结合老师在第一章所讲的伺服系统分类的知识，伺服电动机至今经历了三个主要的发展阶段。

（1）第一个发展阶段（20世纪60年代以前）：步进电动机开环伺服系统；
伺服系统的驱动电机为步进电动机或功率步进电动机，位置控制为开环系统。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°；
步进电机存在一些缺点：在低速时易出现低频振动现象；一般不具有过载能力；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现象，停止时转速过高易出现过冲现象。

（2）第二个发展阶段（20世纪60至70年代）：直流伺服电动机闭环伺服系统；
由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。

在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。

（3）第三个发展阶段（80年代至今）：无刷直流伺服电动机、交流伺服电动机伺服系统；
由于伺服电机结构及其材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机，交流伺服电动机等种种新型电动机。

交流伺服电动机由于克服了直流伺服电动机存在电刷和机械换向器而带来的各种限制，因此在工厂自动化中获得广泛的应用。

交流伺服系统也是本次课程作业着重分析的内容，具体详见下一章节。

2 交流伺服系统
2.1 概述
在课堂上已经了解到，随着生产力的不断发展，交流伺服运动控制系统正朝着数字化、高精度、高速度、高性能的方向发展。

相应的技术也得到前所未有的大发展，目前具有代表性的新技术主要有全闭环交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术、可编程计算机控制器技术、运动控制卡、网际开放式结构高性能DSP 多轴运动控制系统技术、基于CAN总线伺服电机运动控制技术等等。

由于微电子技术的快速发展，交流伺服系统的控制方式也迅速向微机控制方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服或智能化的软件伺服。

利用PWM技术能够方便地控制输出电压的幅值、相位、频率，PWM技术己成为现代交流伺服的基础性技术。

交流伺服驱动系统为闭环控制，内部构成位置环和速度环，控制性能可靠。

交流伺服电机具有控制精度较高、运行性能好、较强的过载能力等特点。

交流伺服系统具有共振抑制功能，并且系统内部具有频率解析机能，可检测出机械的共振点，便于系统调整。

2.2 分类
交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。

其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。

并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。

感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。

但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。

交流伺服驱动系统存在的主要问题是交流伺服驱动系统的低速稳定性问题，它是制约速度控制特性的主要问题，而提高速度的动态响应，降低转速波动，改善速度的控制特性是伺服驱动控制的主要目标。

2.3 应用
现代交流伺服系统首先被应用到的是具有高精度控制要求的宇航和军事领域，例如火箭发动机、导弹发射车和雷达控制等方面。

随着技术的不断进步，和生产精度和自动化要求的不断提高这一技术逐渐进入到工业和民用领域，并得到迅速发展和广泛应用。

在工业方面主要用于高精度数控机床、智能机器人以及其他的数控机械。

在数控机床中的部分高端产品已经开始采用永磁交流直线伺服系统。

由于科技和经济的不断发展，工业生产中对于工业机械的高精度要求以及工业机械向自动化、数字化和智能化不断发展，同时，由于机电一体化技术的不断成熟，自动驾驶技术和智能化楼宇的出现标志着这一技术已经逐步走进我们的日常生活。

因此，交流伺服系统在未来必将得到越来越广泛的应用。

2.4 特点
前面提到，伺服系统主要包括电机和驱动器两部分，而伺服运动控制系统具有更加广泛的含义，还包括操作软件、控制部分、检测元件、传动机构和机械本体，各部件协调完成特定的运动轨迹或工艺过程。

下面对其中的几项并结合当今技术的发展做详细的分析。

2.4.1控制器
集成电路和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用，它们的飞速发展促进了电机控制技术的发展与创新。

随着对交流驱动系统
研究的深入和对性能要求的不断提高，涌现出了许多复杂而先进的算法，传统的单片机MC51、96及多片MCS96系统的运算速度已不能满足要求，数字信号处理器（DSP）已经成为电机控制系统中的首选器件，在伺服系统中得到了广泛应用。

DSP器件具有较高的集成度，运算速度快，存储器容量大，它采用哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，程序总线和数据总线分离，同时可以对程序和数据进行操作，其内置高速硬件乘法器，取指、译码、操作采取多级流水线。

通过程序来实现控制算法，可大大地简化硬件，降低成本，提高系统的控制精度和可靠性，实现软件伺服。

在电机控制中，应用最广泛的DSP主要为TI的C200系列。

近年来DSP发展速度很快，性能不断改善，TI公司在DSP28x定点系列以后又推出了28x Piccolo 系列与28x Delfino浮点系列。

2.4.2功率驱动单元
电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。

电力电子技术的发展对电机控制技术的发展影响极大。

在中小型伺服系统方面，仍以二极管和IGBT为主要器件的功率集成模块（PIM）和智能功率模块（IPM）占据主体地位。

PIM内部集成了6管或7管IGBT管芯并包括相应的高速续流保护二极管的三相全桥结构，有的还在内部集成了三相或者单相全桥整流输入以及用于模块温度检测的热敏电阻。

由于PIM内部没有集成IGBT管芯的栅极驱动电路，因此PIM的使用必须配合相应的栅极驱动芯片。

IPM的内部不仅集成了IGBT管芯和续流二极管，而且也集成了各个IGBT管芯的栅极驱动电路。

2.4.3控制策略
高性能交流伺服系统的发展离不开先进控制策略的成功应用。

结合自动控制、运动控制、先进控制、智能控制等知识，简要介绍其中典型的几种。

（1）直接转矩控制
1985年，Depenbrock教授提出异步电机直接转矩控制方法。

该方法只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。

其磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。

因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题，很大程度上克服了矢量控制的缺点。

直接转矩控制的研究虽已取得了很大进展，但是它在理论和实践上还不够成熟，如低速性能、带负载能力等。

而且由于它对实时性要求高，计算量大，若没有新一代高速的微处理器，要实现直接转矩控制是不可想象的。

（2）滑模变结构控制
滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略，它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。

其主要特点是，根据被调量的偏差及其导数，有目地的使系统沿设计好的“滑动模态”轨迹运动。

这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关，因而使系统具有很强的鲁棒性。

另外，滑模变结构控制不需要任何在线辨识，所以很容易实现。

在过去10多年里，将滑模变结构控制应用于交流传动一直是国内外学者的研究热点，并已取得了一些有效的结果。

但滑模变结构控制本质上的不连续开关特性使系统存在“抖振”问题，主要原因是：对于实际的滑模变结构系统，其控制力总是受到限制的，从而使系统的加速度有限；系统的惯性、切换开关的时间空间滞后及状态检测的误差，特别对于计算机的采样系统，当采样时间较长时，形成“准滑模”等。

所以，在实际系统中抖振必定存在且无法消除，这就限制了它的应用。

（3）智能控制
目前智能控制在交流伺服系统应用中较为成熟的，当首数模糊控制和神经网络控制，而且大多是在模型控制基础上增加一定的智能控制手段，以消除参数变化和扰动的影响。

模糊控制是利用模糊集合来刻画人们日常所使用的概念中的模糊性，使控制器能更逼真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验与方法，它包括精确量的模糊化、模糊推理、模糊判决三部分。

早期的模糊控制器只是以取代传统PID控制器为目的，鲁棒性虽有所加强，但一般模糊控制器没有积分作用，在传动系统有负载扰动时会出现静差。

而增加了积分效应的模糊控制器，虽相当于变系数PID 调节器，可以实现无静差控制，但是单纯地将一个简单的传统模糊控制器用于高精度电机传动系统，还不能得到令人十分满意的性能。

因此，模糊控制系统只有与其他控制方法相结合，才能获得优良的性能。

神经网络控制在交流传动中的应用主要有下面几个方面：代替传统的PID 控制；由于实际的矢量控制效果对传动系统参数很敏感，将神经网络用于电机参数的在线辨识、跟踪，并对磁通及转速控制器进行自适应调整；感应电机矢量控制需要知道转子磁通的瞬时幅值与位置，无速度传感器矢量控制还需要知道转速，神经网络被用来精确估计转子磁通幅值、位置及转速；结合模型参考自适应控制，将神经网络控制器用于自适应速度控制器。

3 伺服系统技术的国内外状况与趋势
3.1 国内
我国现阶段的伺服系统与国外先进水平还有一定的差距。

首先，国外高性能伺服电机的响应频率已经高达900Hz，而国产的绝大部分产品的频率都在
200~500Hz，差距是非常明显的；其次，国产产品在系统运行的稳定性方面和世界先进水平也存在较大差距；最后，由于国外对伺服控制技术的封锁，使得以软形式进行伺服控制的伺服系统的核心技术与世界先进水平存在较大的差距，严重制约了我国高性能伺服系统的发展，因此研发最先进的永磁同步电机伺服控制技术已经成为这一领域当前最为迫切的任务之一。

3.2 国外
选取国际知名公司的伺服产品动向作为介绍。

艾默生控制技术公司：Unidrive驱动器覆盖功率范围从0.55~675kW，变换不同的控制软件可以驱动异步电机、永磁同步伺服电机和无刷直流电机。

额定输出功率为0.25~11kW的Varmeca型集成可变速度电机与可变速度驱动器，具有闭环矢量与分布式两个版本。

贝加莱工业自动化公司：AcoposMulti驱动系统采用模块化的可扩展结构，每个轴模块可以提供1到2个伺服轴控制，并集成一个24VDC的辅助电源模块，为驱动器、控制器和外围设备提供了一个到直流总线的链接，来获得开路、短路和过载保护。

包米勒公司：其带集成行星齿轮传动系的高性能伺服电机，拥有高达98%的效率和很低的噪音；直接驱动型高力矩伺服电机，可以在100~300rpm范围内输出13500Nm。

3.3 趋势
（1）高集成化：下一代伺服系统将采用高集成化的多功能控制单元。

对每一个控制单元，均可以通过软件对系统参数进行重新设置，以改变伺服系统的性能适应不同用户的需求，既可以使用内置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口连接外部传感器构成全闭环调节系统；
（2）智能化：现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能，绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的可以自动辨识电机的参数，自动测定编码器零位，有些则能自动进行振动抑止。

将电子齿轮、电子凸轮、同步跟踪、插补运动等控制功能和驱动结合在一起，对于伺服用户来说，则提供了更好的体验。

（3）专用化和多样化：虽然市场上存在通用化的伺服产品系列，但是为某种特定应用场合专门设计制造的伺服系统更受欢迎。

如利用磁性材料的不同性能、不同形状、不同表面粘接结构和嵌入式永磁转子结构的电机出现，分割式铁芯结构工艺在日本的使用使永磁无刷伺服电机实现了高效率、大批量和自动化的生产。

伺服控制系统考核参考文献
参考文献
[1] 舒志兵,等.交流伺服运动控制系统[M].北京:清华大学出版社,2006.
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