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摘 要：本文详细论述了AC伺服技术目前在我国和国外的应用现状,通过对比,进而展望了其未来的发展方向.
关 键 词：AC伺服技术；应用；发展
中图分类号：TM921.541文献标识码：A文章编号：1674-7712(2012)10-0241-01
一、AC伺服技术的发展现状
目前,AC伺服电动机驱动系统被广泛应用于机电一体化产品的设计中.这就要求设计者充分了解AC伺服技术.永磁同步交流伺服电机(PM)和感应异步交流伺服电机(IM)是现阶段比较常见的交流伺服系统的电动机.PM成为了伺服系统选择的首选,其较大的调速范围、较大效率和较好的动态特性受到了一致好评,虽然异步伺服电机相对来说具有成本优势,但只在大功率场合得到重视.
交流伺服系统的应用涉及到社会各个领域,最初是应用在宇航和军事领域,后来随着科学技术水平的不断提升,交流伺服系统逐渐向工业和民用领域渗透.工业应用主要集中在高精度数控机床和其他重要的数控机械上,比如,纺织机械、医疗机械、专用大型技术生产设备、生产流水线等等.目前,永磁无刷伺服电机蓬勃发展起来,已经逐步替代了步进电机,永磁交流直线伺服系统开始广泛应用于高精度的机电一体户成品中,如何提高效率和速度也成为当前研究的热点,高速永磁交流伺服取代异步变频驱动的研究也是当前业内主要研究的方向之一.
二、伺服系统产品及应用
(一)对伺服控制的基本要求
在AC伺服技术的实际应用中,关键是要控制运动速度和位置,这一问题最终转化为对驱动机构运动的AC伺服电动机进行速度和位置控制.伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统.主轴伺服系统主要负责控制主轴转动,进给伺服系统主要控制移动部件的位置和速度,通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成.
一般来说,伺服系统位置实际值是由位置传感器检测的,半闭环控制一般采用电机后自带编码器提供的脉冲信号作为反馈信号,因为此信号反馈的不是绝对位置,所以称为半闭环.而全闭环依靠电机外的光栅尺等反馈的绝对位置信号作为反馈信号,可以达到绝对反馈,称为全闭环.理论上,全闭环理论上精度比较高,实际上比较难实现,对模型要求比较高,一般都是用半闭环,但是半团环控制方法是采用PID,模拟的精度难保证,不稳定.全闭环控制的过程描述如下,位置传感器首先检测运动机构的位置,接收信息之后进而反馈给输入端,通过接收信息与位置指令的对比,进而调整和控制电动机转矩.从而导致位置发生移动变化.半闭环控制的位置检测器安装在电动机轴上,是一种间接探测运动机构位置的控制方法,电动机轴的角位移是主要的检测数据.
在控制策略方面,电压频率控制方法和开环次通轨迹控制方法都是基于电极稳态数学模型的,但是缺点就是伺服特性不稳定.矢量控制,即通过测量和控制异步电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理控制励磁电流和转矩电流,最终实现对异步电动机转矩的控制,是目前核心控制方法.矢量控制方法往往与其他控制方法联合使用,比如在矢量控制的基础上,附加反馈线性化控制、自适应控制等等.近些年来,无位置传感器技术逐渐成为研究热点.但是无位置长安其技术仅仅适用于速度精度要求不高的场所,比如,缝纫机伺服控制等,因为其调速比大约为1:100.控制单元作为交流伺服系统的控制核心,主要控制着速度、转矩和电流等.数字信号处理器(DSP)具有较快的数据处理速度,其集成电路的功能也很强大,逐渐成为了智能控制领域的新宠.
(二)伺服系统在行业中的应用
德国西门子有一套高精度、高动态响应的控制系统,其优点是控制循环周期短,并且可以对应0.2KW到18.5KW的所有应用领域,它就是SIMOVERTMASTERDRIVEC-C紧凑增强型运动控制驱动器.它的性能大大超过同类产品,能够轻易的实现快速、准确的驱动控制.基于此,西门子的这种紧凑增强型运动控制驱动器可作为智能控制的一部分.MC-C驱动器采用当前先进的32位数字控制技术,保证其高精度、高动态响应；它还具有超高的过载因数能够帮助您应对高难度的产品应用,它的过载能力达到了250ms内300%.安全应用方面当然也不会被忽略,性能优越、体积袖珍集成式的安全保护装置具有紧急停止功能,有效地保障了所有功能的安全使用.软件使用方面,驱动器应用BICO技术,轻巧的实现开闭环控制.驱动器能获得超高的动态响应是源自Performance2,它能够有效减少允许电流和转速控制器的计算时间到100μs,而功能模块的计算时间也都在1.6ms左右,这就是为什么驱动器的动态响应如此之高快灵了.
随着我国伺服系统技术的快速发展,伺服驱动系统在性能和质量方面都有了很大提升,其进给功率可以实现最小20W,最大7.5W,主轴功率范围也从3.5KW到22KW.伺服驱动器的硬件要求具备完善的故障软、硬件保护功能模块,包括防止短路、过压、过热等.可靠性好、体积小、方便操作使用的DSP、FPGA、IPM等硬件的使用就能够比较好的实现上述要求
三、伺服系统技术发展趋势
与国外伺服驱动系统产品相比,我国伺服技术起步比较晚,发展不够成熟,产品的性能还同发达国家有一定的差距.尤其是高性能的伺服驱动技术方面,差距尤其明显.目前,高档数控系统产业不断发展的同时,也越来越关注高速、高精控制的实现效果.我国伺服系统在高速数字化网络接口的研发、脉冲式控制接口的自身缺陷突破等方面都亟待改进.
模拟控制系统是目前发展比较成熟和完善的一类电动机控制技术.其既可以用于交流伺服电动机控制也可以用于直流伺服电动机控制,目前被广泛应用于数控机床等机电一体化的装置中.随着科学技术的不断发展,机电一体化产品对伺服控制技术要求也日益提高,模拟控制技术的不够精准的缺陷成为了其发展的瓶颈,数字控制技术发展是未来的必然趋势.相信,在不久的将来,随着微处理器技术的进步和成本的有效控制,数字控制凭借其精准的特性一定会得到广泛的利用前景.