伺服系統(tǒng)：需求提升性能指標

　　【 伺服源自英文單詞“Servo”，顧名思義，就是指系統(tǒng)跟隨外部指令進行人們所期望的運動，而其中的運動要素包括位置、速度和力矩等物理量?；仡?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/伺服系統(tǒng)">伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程，從最早的液壓、氣動到如今的電氣化，由伺服電機、反饋裝置與控制器組成的伺服系統(tǒng)已經走過了近50個年頭。】

　　伺服源自英文單詞“Servo”，顧名思義，就是指系統(tǒng)跟隨外部指令進行人們所期望的運動，而其中的運動要素包括位置、速度和力矩等物理量?；仡?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/伺服系統(tǒng)">伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程，從最早的液壓、氣動到如今的電氣化，由伺服電機、反饋裝置與控制器組成的伺服系統(tǒng)已經走過了近50個年頭。

　　如今，隨著技術的不斷成熟，交流伺服電機技術憑借其優(yōu)異的性價比，逐漸取代直流電機成為伺服系統(tǒng)的主導執(zhí)行電機。交流伺服系統(tǒng)技術的成熟也使得市場呈現(xiàn)出快速的多元化發(fā)展，并成為工業(yè)自動化的支撐性技術之一。

　　南京工業(yè)大學運動控制研究所所長舒志兵在采訪中用九個字描述了伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：即高精度、高速度、大功率。他解釋說，伺服系統(tǒng)的發(fā)展要充分利用電子和計算機技術，采用數(shù)字式伺服系統(tǒng)，利用微機實現(xiàn)調節(jié)控制，增強軟件控制功能，排除模擬電路的非線性誤差和調整誤差以及溫度漂移等因素的影響，這可大大提高伺服系統(tǒng)的性能，并為實現(xiàn)最優(yōu)控制、自適應控制創(chuàng)造條件。同時，要開發(fā)高精度、快速檢測元件與高性能的伺服電機(執(zhí)行元件)。

　　如何提高交流伺服系統(tǒng)的性能指標

　　眾所周知，伺服系統(tǒng)由伺服驅動裝置和驅動元件組成，高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測裝置，用來反饋實際的輸出狀態(tài)。

　　舒所長介紹，在交流伺服系統(tǒng)中，電動機的類型有永磁同步交流伺服電機(PMSM)和感應異步交流伺服電機(IM)，其中永磁同步電機具備十分優(yōu)良的低速性能，可以實現(xiàn)弱磁高速控制，具有調速范圍寬廣、動態(tài)特性和效率高的優(yōu)點，已經發(fā)展成為伺服系統(tǒng)的主流之選。而異步伺服電機雖然結構堅固、價格低廉，但在特性與效率上與永磁同步電機存在差距，只在大功率場合得到重視。

　　隨著交流伺服系統(tǒng)的應用范圍逐漸拓寬，其性能的評價標準也得到廣泛關注。舒所長將性能指標大致分為調速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動態(tài)響應和運行穩(wěn)定性等方面，同時他對這幾個指標分別做了詳細說明，他解釋道：“低檔的伺服系統(tǒng)調速范圍在1：1000以上，一般的在1：5000～1：10000，高性能的可以達到1：100000以上;定位精度一般都要達到±1個脈沖，尤其是低速下的穩(wěn)速精度。比如給定1rpm時，一般的在±0.1rpm以內，高性能的可以達到±0.01rpm以內;動態(tài)響應方面，通常衡量的指標是系統(tǒng)最高響應頻率，即給定最高頻率的正弦速度指令，系統(tǒng)輸出速度波形的相位滯后不超過90度或者幅值不小于50%。進口三菱伺服電機MR-J3系列的響應頻率高達900Hz，而國內主流產品的頻率在200～500Hz;運行穩(wěn)定性主要是指系統(tǒng)在電壓波動、負載波動、電機參數(shù)變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾，以及其他特殊運行條件下，維持穩(wěn)定運行并保證一定的性能指標的能力。這方面國產產品與世界先進產品相比差距較大。”

　　同時，舒所長從控制策略方面對伺服系統(tǒng)性能進行了進一步闡釋，他介紹，基于電機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型的電壓頻率控制方法和開環(huán)磁通軌跡控制方法都難以達到良好的伺服特性，目前普遍應用的是基于永磁電機動態(tài)解耦數(shù)學模型的矢量控制方法，這是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的核心控制方法。他強調說：“雖然人們?yōu)榱诉M一步提高控制特性和穩(wěn)定性，提出了反饋線性化控制、滑模變結構控制、自適應控制等理論，還有不依賴數(shù)學模型的模糊控制和神經元網(wǎng)絡控制方法，但是大多在矢量控制的基礎上附加應用這些控制方法。”

　　什么樣的伺服系統(tǒng)才是用戶最需要的?

　　近年來，伺服系統(tǒng)的發(fā)展始終以穩(wěn)定性、響應性與精度為發(fā)展主軸，這也是用戶在使用過程中最為看重的幾大因素。穩(wěn)定的系統(tǒng)可以在給定輸入或外界干擾作用下，在短暫的調節(jié)后達到新的或者恢復到原有的平衡狀態(tài);伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。以數(shù)控機床為例，允許的偏差一般都在0.01～0.00lmm之間;快速響應性是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的標志之一，即要求跟蹤指令信號的響應要快，一方面要求過渡過程時間短，一般在200ms以內，甚至小于幾十毫秒。而另一方面，為了滿足超調要求，要求過渡過程的前沿陡，即上升率要大。

　　舒所長還強調，由于用戶在使用過程中經常會遇到伺服系統(tǒng)頻繁的啟動和制動過程，這就要求伺服電機具有高性能，即電機的輸出力矩與轉動慣量的比值大，以產生足夠大的加速或制動力矩。要求伺服電機在低速時有足夠大的輸出力矩且運轉平穩(wěn)，以便在與機械運動部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié);同時，寬調速范圍的速度調節(jié)系統(tǒng)也是用戶較為關注的熱點。以機床行業(yè)為例，從系統(tǒng)的控制結構看，數(shù)控機床的位置閉環(huán)系統(tǒng)可以看作是位置調節(jié)為外環(huán)、速度調節(jié)為內環(huán)的雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，其內部的實際工作過程是把位置控制輸入轉換成相應的速度給定信號后，再通過調速系統(tǒng)驅動伺服電機，實現(xiàn)實際位移。數(shù)控機床的主運動要求調速性能也比較高，因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調速系統(tǒng)。

　　目前，伺服系統(tǒng)的應用行業(yè)逐漸增多，行業(yè)用戶的需求也在完善著伺服系統(tǒng)的功能與性能。舒所長介紹說：“近幾年，隨著國內外公司應用伺服產品的成功案例增多，以及在國外展會上關于運動控制新技術的見聞，我大致地總結了一些伺服驅動系統(tǒng)、運動控制和相關軟件的發(fā)展趨勢：首先就是產品的模塊化設計，同時在產品中融入機器安全的概念;同時，在適合運動控制的工業(yè)協(xié)議方面，我們注意到包括倍福、貝加萊、丹納赫、西門子等公司都推出了自己的通訊協(xié)議。這些通訊協(xié)議都為多軸實時同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驅動器集成進去。目前，國內的相關企業(yè)與研究所已經進行了研發(fā)實踐，這一方面消化了國外的先進技術，另一方面也為自己的總線標準的制定做出了有益的嘗試。”