伺服电机控制技术的应用与发展

伺服电机控制技术的应用与发展

作者：黄新宇

来源：《科学导报·科学工程与电力》2019年第07期

【摘要】现阶段，随着社会的发展，我国的科学技术的发展也有了很大的进步。电机的主要功能是将电能转变为机械能，应用领域非常广泛，涉及航空、机械运转以及运输等多个行业。电力电子技术水平的不断提升，使电机功能更加多样化，尤其是在信息时代下，更体现了智能化的特点。电机为电机控制技术发展提供推动力，使其可以更加多方位地满足安全需求。处理器和数字化伺服系统的协调发展，相应提高了数控系统计算性能，达到了缩减时间的目的。硬件伺服控制系统实现了向软件伺服控制系统的转变，提高了伺服系统运行性能。这些变革都为加工技术提供了推动力。

【关键词】伺服电机；控制技术；应用与发展

1 伺服控制系统

1.1 开环伺服系统

开环伺服系统中并未设置检测反馈设备，因此也不存在运动反馈控制回路。一旦设备发出了脉冲指令，这时电动机便开始运行。虽然可能存在运动误差，但是不会做出任何信息错误反馈。期间，步进电动机在开环伺服中是最为关键的驱动部件。步进电机在步距角精度、机械传动精度等方面具有极大优势，直接关系到开环系统的精准度。通常，针对开环系统精準度没有过高要求。尽管步进电动机的转速不高，部件运行期间也存在限制，但其结构精简、可靠性高、制造成本低，所以为控制电路赋予了简单的特点。因此，开环控制系统内部没有对精度和速度提出严格要求的装置，一般会使用步进电动机。

1.2 半闭环伺服系统

该系统中的主要装置为无刷旋转变压器，用以检测位置、速度，而最关键的部件是装载中放置的脉冲编码器。电机轴中装载了系统内全部反馈信号，此外也包括负责系统机械传动的装置。非线性因素不会对系统运行造成影响，相反还会为安装调试提供便利。机械传动装置精准度与半闭环伺服系统定位精准度有直接关系，即便是机械传动装置的精度低，但是通过数控装置中具备的误差补偿和间隙补偿两种功能，也会提升其精准度。所以，半闭环伺服系统更多被应用于数控机床。

图1所示是伺服电机控制系统，它以C8051F060为核心，同时还有显示电路、编码器、编码器处理电路、RS485通信电路、伺服电机驱动电路、伺服电机。

2 伺服电机控制技术的应用

2.1 在控制精准度的应用

全数字交流伺服是以2000线编码器为标准，控制交流伺服则更能体现控制精准度，将旋转编码器安装在交流伺服电机电机轴后方。驱动器的安装使用四倍频技术，脉冲量为0.045º。在数字化伺服电机系统中，如果使用17编码器其脉冲量可以换算为1.8的步距角，为

0.0027466º，电动机旋转1圈接收一次131072个脉冲。两相混合式和五相混合式是步进电机的两种形式，两相混合式步进电机的脉冲量数据较小，脉冲量为1/655.相比之下。其中，两相混合式性能较高，步距角则主要以1.8º、0.9º为主经过细分之后，性能较高的二相混合式步进电机步距角更小，可以有效实现五相混合式、普通二相混合式步距角的兼容，五相混合式步距角是以0.72º、0.36º为主；诸如0.072º、0.18º、0.9º等二相混合式在设置步距角时，可以利用拨码开关的方式。

2.2 在低频特性的应用

受工作原理出现低频振动状态对步进电机正常运转很大。低频振动与电机系统内的振动频率和负载情况、驱动器性能有很大的关系，在低速运转过程中，其主要存在于步进电机中。振动频率是电机空载起跳频率的1/2，控制低频振动通常会使用阻尼技术来提升步进电机运转状态。如：在控制过程中，利用驱动器中细分技术或通过设置阻尼器等。但如果电机处于低速运转状态中，为了使其运转更为稳定，通常使用交流伺服电机技术，这样不会造成低频振动问题。交流伺服电机系统携带着共振抑制功能，具备频率解析功能，可以有效弥补机械刚性中存在的不足，能够避免发生共振问题，有效监测出机械共振点。

2.3 伺服电机控制方法

首先，对于电机轴来说，转矩控制主要具有调节对外输出转矩的作用，利用输入外部模拟量或者在地址上直接赋值的方式，如：10V与5N·m相对应时，电机轴输出为2.5N·m，外部模拟量设置为5V。当电机轴负载大于2.5N·m时，电机反转；当电机轴负载小于2.6N·m时，电机不会运转。并且通过通信方式或对模拟量进行调整的方式，可以改变设定矩的大小，改变相应的地址数值。但诸如光纤设备等应用对象为材质受力要求则比较严苛的缠绕和放卷。其次，位置控制的转动速度、角度，是以外部输入脉冲频率、个数来明确的。由于位置模式对于速度、位置的控制十分严苛，在速度和位移上，个别伺服可以直接采用通信的方式实现赋值。因此在定位装置中应用较多。为了控制转动的速度，气门利用了模拟量输入、脉冲频率等技术。上位控制装置外环PID能够准确定位速度，但这一操作的计算依据需要将电机位置信号直接反馈给上位。检测装置负责提供位置信号，电机转速的检测可以由电机轴端编码器负责，位置模式可以直接对外环检测位置信号进行负载。如此一来，可以提升系统的定位精准度，消除中间传动操作中存在的误差。

3 伺服电机控制技术的发展前景

电机控制专用继承电路是企业设计伺服电机最普遍的形式，设计软件主要为复杂可编程逻辑器件和现场可编程逻辑阵列。并且在设计电机控制集成电路时，需要依据用户、电子系统要求。该电路能够实现操作边界的有效扫描，特点在于用户现场可操控编程。电机控制专用集成电路具有设计、生产时间短等特征，主要体现在制定用户要求、数量少等方面。与通用电路相比，集成电路电子技术和用户积淀系统生产出来的产品，重量情、成本低、体积小、功耗低，但质量高。并且在电机控制MCU设计、电机控制DSP设计等方面，伺服电机控制技术也有所体现。交流伺服电动机属于无刷结构，提升功率与转速快、维修几率小。20世纪80年代中，伺服电机控制技术已经融合催化加工技术，并且在今后的发展中也会获得很大的发展。如：在数控系统中，伺服电机驱动已经逐渐应用起来。如今，交流伺服系统主要替换了直流伺服系统，实现了在诸多领域的应用。今后伺服电机控制技术的发展方向，就是在数控操作系统中全面实现直流伺服系统取缔工作，硬件设备控制能够替代软件中应用的控制。

4 结语

综上所述，伺服电机控制技术具有综合性特点，其中结合了通信技术、电力电子技术等，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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[3]毛森.无位置传感器车用执行电机控制技术的研究[D].上海：上海交通大学，2014.

（作者单位：中车永济电机有限公司）