伺服控制总结

现代伺服运动控制系统综述

1 绪论

随着生产力的不断发展，要求交流伺服运动控制系统向数字化、高精度、高速度、高性能方向发展。要充分利用迅速发展的电子和计算机技术，采用数字式伺服系统，利用危机实现调节控制，增强软件控制功能，排除模拟电路的非线性误差和调整误差以及温度飘雨等因素的影响，这可大大提高伺服系统的性能，并为实现最优控制、自适应控制创造条件。控制理论在伺服运动控制系统中的实现和应用，寻求更优良的控制策略对交流伺服系统进行控制是提高其性能的有效途径之一。随着计算机性能的的日新月异，伺服系统的控制手段也向着模糊控制、神经网络等更加智能化的方向发展。在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。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、国际开放式结构高性能DSP多轴运动控制系统技术、基于现场总线的运动控制技术和运动控制卡能几项具有代表性的新技术。

2 伺服运动控制系统

2.1 伺服系统

伺服技术是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的工程实用技术。伺服技术与系统是基础自动化系统的最重要的控制技术之一和底层自动化系统（装备）。是现代机电一体化和工业自动化领域的支撑技术之一。

以伺服技术为核心的伺服系统（servo – system）又称随动系统。伺服系统专指被控制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）。

伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。

2.2 伺服系统的组成及分类

2.2.1 伺服系统的组成

伺服系统是由被控对象、驱动器、控制器等几个基本部分组成。

被控对象系是指被控制的物体（如机械手臂或一个机械工作平台）；驱动器用来提供被控对象的动力，可能以气压、液压、或是电力驱动的方式呈现，目绝大多数伺服系统采用电力驱动方式，驱动器包含了电机与功率放大器；控制器提供整个伺服系统的闭环控制，如转矩控制、速度控制和位置控制等。

2.2.2 伺服系统的分类

电气伺服系统按驱动（执行）机构分类为步进式伺服系统、直流电机伺服系统、交流电机伺服电机；按控制方式分：开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统。下图2-1和2-2分别为开环和闭环系统构成图。步进电机因其自身具有优良的位置定位精度和锁定能力，故对于步进电机为伺服机构的伺服系统一般可采用开环结构。

图2-1 开环系统构成图

图2-2 闭环系统构成图

2.3 伺服系统的基本要求和特点

2.3.1 伺服系统的基本要求

对伺服系统的基本要求有较好的稳定性、较高的精度、快速的响应性能。

稳定性好要能在短暂的调节过程后达到新的或者回复到原有的平衡状态。伺

服系统的精度是指输出量能跟对输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或者轮廓加工精度通常都是比较高。伺服系统要求跟踪质量信号的相应要快，方面要求过度过程时间短，另一方面，为了满足超调要求，要去过度过程的前沿陡，即上升速率要大。

2.3.2 伺服系统的特点

（1）精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制。

（2）丰富的反馈方式：根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。

（3）高性能伺服机构

（4）宽调速伺服技术

2.4 伺服系统的基本结构

伺服系统一般结构包括驱动执行（伺服）机构、功率驱动单元、控制单元、检测等。除电机外，系统主要包括功率驱动单元、位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器、位置反馈单元、电流反馈单元、通讯接口单元等。下图2-3为数字化交流伺服系统基本结构框图。

图2-3 数字化交流伺服系统基本结构框

3 伺服运动控制系统与运动控制系统的区别

3.1 运动控制系统

运动控制系统（Motion Control System）也可称作电力拖动控制系统（Control Systems of Electric Drive），是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要

求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。现代运动控制已成为电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科。下图3-1为运动控制系统的基本构成图。

图3-1 运动控制系统的基本构成图

3.2伺服运动控制系统与运动控制系统的区别

运动控制系统是一种驱动系统，以速度和功率指标为重。即是说，在保证一定的功率驱动前提下，如何保证运动指标的最优化，比如：稳速指标、加减速指标、动态调整指标等等。

伺服系统是一种位置目标系统，以位置目标、运动指标为主要保证指标。即是说，强调的位置控制精度、实现目标的快速性等。

4 现代伺服运动控制系统的发展趋势

现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，国外的一些公司也相继推出新产品，比如贝加莱工业自动化公司推出的AcoposMulti驱动系统采用模块化的可扩展结构，艾尔默公司推出的一系列伺服驱动器与控制器，罗克韦尔自动化公司研发的PowerFlex驱动技术，施耐德电气推出的伺服控制器，从这些产品的研制中，我们看到国际大厂向专用化、大型化伺服发展的动向。但是在国内，甚至CAN这样的中低端总线也没有变成伺服驱动器的标准配置，采用高性能实时现场总线的商品化驱动器还没有出现。我国的交流伺服运动控制产品尚处于起步阶段，但是该系统风采日益展现，正广泛应用于机械各个行业，提升行业智能化控制水平，市场需求显著，在未来几年内上升的空间非常大。

在交流伺服运动控制产品的发展过程中，它始终是融合了先进的机电一体化技术和控制理论。随着微机电、电力电子、网络通讯技术的发展，各种形式的微