伺服系统：需求提升性能指标 伺服 运动控制

  【 伺服源自英文单词“Servo”，顾名思义，就是指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，而其中的运动要素包括位置、速度和力矩等物理量。回顾伺服系统的发展历程，从最早的液压、气动到如今的电气化，由伺服电机、反馈装置与控制器组成的伺服系统已经走过了近50个年头。】

  伺服源自英文单词“Servo”，顾名思义，就是指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，而其中的运动要素包括位置、速度和力矩等物理量。回顾伺服系统的发展历程，从最早的液压、气动到如今的电气化，由伺服电机、反馈装置与控制器组成的伺服系统已经走过了近50个年头。

  如今，随着技术的不断成熟，交流伺服电机技术凭借其优异的性价比，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。交流伺服系统技术的成熟也使得市场呈现出快速的多元化发展，并成为工业自动化的支撑性技术之一。

  南京工业大学运动控制研究所所长舒志兵在采访中用九个字描述了伺服系统的发展趋势：即高精度、高速度、大功率。他解释说，伺服系统的发展要充分利用电子和计算机技术，采用数字式伺服系统，利用微机实现调节控制，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漂移等因素的影响，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。同时，要开发高精度、快速检测元件与高性能的伺服电机（执行元件）。

  如何提高交流伺服系统的性能指标

  众所周知，伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件组成，高性能的伺服系统还有检测装置，用来反馈实际的输出状态。

  舒所长介绍，在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机（PMSM）和感应异步交流伺服电机（IM），其中永磁同步电机具备十分优良的低速性能，可以实现弱磁高速控制，具有调速范围宽广、动态特性和效率高的优点，已经发展成为伺服系统的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、价格低廉，但在特性与效率上与永磁同步电机存在差距，只在大功率场合得到重视。

  随着交流伺服系统的应用范围逐渐拓宽，其性能的评价标准也得到广泛关注。舒所长将性能指标大致分为调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性等方面，同时他对这几个指标分别做了详细说明，他解释道：“低档的伺服系统调速范围在1：1000以上，一般的在1：5000～1：10000，高性能的可以达到1：100000以上；定位精度一般都要达到±1个脉冲，尤其是低速下的稳速精度。比如给定1rpm时，一般的在±0.1rpm以内，高性能的可以达到±0.01rpm以内；动态响应方面，通常衡量的指标是系统最高响应频率，即给定最高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90度或者幅值不小于50％。进口三菱伺服电机MR－J3系列的响应频率高达900Hz，而国内主流产品的频率在200～500Hz；运行稳定性主要是指系统在电压波动、负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰，以及其他特殊运行条件下，维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力。这方面国产产品与世界先进产品相比差距较大。”

  同时，舒所长从控制策略方面对伺服系统性能进行了进一步阐释，他介绍，基于电机稳态数学模型的电压频率控制方法和开环磁通轨迹控制方法都难以达到良好的伺服特性，目前普遍应用的是基于永磁电机动态解耦数学模型的矢量控制方法，这是现代伺服系统的核心控制方法。他强调说：“虽然人们为了进一步提高控制特性和稳定性，提出了反馈线性化控制、滑模变结构控制、自适应控制等理论，还有不依赖数学模型的模糊控制和神经元网络控制方法，但是大多在矢量控制的基础上附加应用这些控制方法。”

  什么样的伺服系统才是用户最需要的？

  近年来，伺服系统的发展始终以稳定性、响应性与精度为发展主轴，这也是用户在使用过程中最为看重的几大因素。稳定的系统可以在给定输入或外界干扰作用下，在短暂的调节后达到新的或者恢复到原有的平衡状态；伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。以数控机床为例，允许的偏差一般都在0.01～0.00lmm之间；快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒。而另一方面，为了满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。

  舒所长还强调，由于用户在使用过程中经常会遇到伺服系统频繁的启动和制动过程，这就要求伺服电机具有高性能，即电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节；同时，宽调速范围的速度调节系统也是用户较为关注的热点。以机床行业为例，从系统的控制结构看，数控机床的位置闭环系统可以看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。

  目前，伺服系统的应用行业逐渐增多，行业用户的需求也在完善着伺服系统的功能与性能。舒所长介绍说：“近几年，随着国内外公司应用伺服产品的成功案例增多，以及在国外展会上关于运动控制新技术的见闻，我大致地总结了一些伺服驱动系统、运动控制和相关软件的发展趋势：首先就是产品的模块化设计，同时在产品中融入机器安全的概念；同时，在适合运动控制的工业协议方面，我们注意到包括倍福、贝加莱、丹纳赫、西门子等公司都推出了自己的通讯协议。这些通讯协议都为多轴实时同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驱动器集成进去。目前，国内的相关企业与研究所已经进行了研发实践，这一方面消化了国外的先进技术，另一方面也为自己的总线标准的制定做出了有益的尝试。”乐利网 www.6li.com