校平機設備中伺服系統作用探析

一、伺服系統的發(fā)展過(guò)程
　　伺服系統的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過(guò)程。電氣伺服系統根據所驅動(dòng)的電機類(lèi)型分為直流(DC)和交流(AC)伺服系統。20世紀50年代，無(wú)刷電機和直流電機實(shí)現了產(chǎn)品化，并在計算機外圍設備和機械設備上獲得了廣泛的應用，20世紀70年代則是直流伺服電機的應用    廣泛的時(shí)代。但直流伺服電機存在機械結構復雜、維護工作量大等缺點(diǎn)，在運行過(guò)程中轉子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機械設備的精度，難以應用到高速及大容量的場(chǎng)合，機械換向器則成為直流伺服驅動(dòng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
　　交流伺服系統按其采用的驅動(dòng)電動(dòng)機的類(lèi)型來(lái)分，主要有兩大類(lèi)：永磁同步(SM型)電動(dòng)機交流伺服系統和感應式異步(IM型)電動(dòng)機交流伺服系統。其中，永磁同步電動(dòng)機交流伺服系統在技術(shù)上已趨于   成熟，具備了優(yōu)良的低速性能，并可實(shí)現弱磁高速控制，拓寬了系統的調速范圍，適應了伺服驅動(dòng)的要求。
　　系統的執行元件一般為普通三相鼠籠型異步電動(dòng)機，功率變換器件通常采用智能功率模塊IPM。為進(jìn)一步提高系統的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，可采用位置和速度閉環(huán)控制。三相交流電流的跟隨控制能提高逆變器的電流響應速度，并且能限制暫態(tài)電流，從而有利于IPM的   工作。速度和位置環(huán)可使用單片機控制，以使控制策略獲得   高的控制性能。
　　直流伺服驅動(dòng)技術(shù)受電機本身缺陷的影響，其發(fā)展受到了限制。直流伺服電機存在機械結構復雜、維護工作量大等缺點(diǎn)，在運行過(guò)程中轉子容易發(fā)熱，影響了與其連接的校平機其他機械設備的精度，難以應用到高速及大容量的場(chǎng)合，機械換向器則成為直流伺服驅動(dòng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
　　交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來(lái)的各種缺點(diǎn)，特別是交流伺服電機的過(guò)負荷特性和低慣性   體現出交流伺服系統的優(yōu)越性。所以交流伺服系統在工廠(chǎng)自動(dòng)化(FA)等各個(gè)了廣泛的應用。
　　二、伺服驅動(dòng)產(chǎn)品概況
　　由于伺服驅動(dòng)產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中的應用廣泛，市場(chǎng)上的相關(guān)產(chǎn)品種類(lèi)很多，從普通電機、變頻電機、伺服電機、變頻器、伺服控制到運動(dòng)控制器、單軸控制器、多軸控制器、可編程控制器、上位控制單元乃至車(chē)間和廠(chǎng)級監控工作站等一應俱全。
　　1、伺服電機
　　隨著(zhù)永磁材料制造工藝的不斷完善，新一代的伺服電機大都采用了銣鐵硼材料，該材料的剩余磁密、矯頑力和    大磁能積均好于其他永磁材料，再加上合理的磁極、磁路及電機結構設計，地提高了電機的性能，同時(shí)又縮小了電機的外形尺寸。新一代的伺服電機大都采用了新型的位置編碼器，這種位置編碼器的信號線(xiàn)數量從9根減少到5根，并支持增量型和   值型兩種類(lèi)型，通信速率達4M/s，通信周期為62.5μs，數據長(cháng)度為12位，編碼器分辨率為20bit/rev，即每轉生成100萬(wàn)個(gè)脈沖，    高轉速達6000r/min，編碼器電源電流僅為16μA。伺服電機按照容量可以分為超小型(MINI型)、小容量型、中容量型和大容量型。超小容量型的功率范圍為10W到20W，小容量型的功率范圍為30W~750W，中容量型的功率范圍為300W~15KW，大容量型的功率范圍為22KW~55KW。伺服電機的供電電壓范圍從100~400V(單三相)。
　　2、伺服控制單元
　　為了提高產(chǎn)品的性能，新一代的伺服控制器采用了多種、新工藝，主要體現在以下幾個(gè)方面：
　　(1)在電流環(huán)路中采用了d-q軸變換電流單元，在新的控制方式中，主CPU的運算量得以減少，通件來(lái)進(jìn)行電流環(huán)控制，即將控制算法固化在LSl硬件環(huán)路中。通過(guò)采用高速的d-q軸變換電流單元，使電流環(huán)的轉矩控制精度有了進(jìn)一步的提高，實(shí)現了在穩態(tài)運行及瞬態(tài)運行時(shí)均能保持良好的性能。
　　(2)采用了脈沖編碼器倍增功能，新的控制算法使位置控制的整定時(shí)間縮短為原來(lái)的三分之一。
　　(3)速度控制環(huán)采用速度實(shí)時(shí)檢測控制算法，是電機的低速性能進(jìn)一步提高，速度波動(dòng)和轉矩波動(dòng)降到    低。采用在線(xiàn)自動(dòng)鎖定功能，使伺服系統的調試時(shí)間縮短，操作   加簡(jiǎn)化。
　　(4)為了使用戶(hù)   加靈活地使用伺服系統，一些產(chǎn)品上增加了可擴展性以及柔性化、開(kāi)放性設計。用戶(hù)可以通過(guò)修改內部參數，選擇控制算法，或者使用   語(yǔ)言進(jìn)行編程，   加靈活的使用伺服產(chǎn)品。
　　(5)伺服控制一般均采用從電機軸端的位置編碼器采集位置信號進(jìn)行反饋，在受控執行機械部分沒(méi)有反饋采樣信號，即半閉環(huán)的控制方式。目前的新產(chǎn)品則采用全閉環(huán)的控制方式，使機械加工誤差、齒輪間隙、結構受力彈性變形等誤差所造成的影響在伺服控制器中通過(guò)計算完成修正。
　　3、上位控制
　　隨著(zhù)工業(yè)機械化設備對高速化、化和小型化以及多品種小批量化、性、免維護性能要求的提高，上位機控制群得以廣泛應用。從上層的可編程控制器(PLC)、運動(dòng)控制器、機床CNC控制器，可一直連到底層的通用輸刀輸出(I/O)控制單元和視覺(jué)傳感系統。編程語(yǔ)言有梯形圖、NC語(yǔ)言、SFC語(yǔ)言、運動(dòng)控制語(yǔ)言等，均可按照用戶(hù)要求靈活配置。
　　三、校平機伺服系統的發(fā)展趨勢
　　數字化交流伺服系統的應用越來(lái)越廣，用戶(hù)對伺服驅動(dòng)技術(shù)的要求也越來(lái)越高?？偟膩?lái)說(shuō)，校平機伺服系統的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個(gè)方面：
　　1、交流化
　　校平機伺服技術(shù)將繼續地由DC伺服系統轉向AC伺服系統。從目前   市場(chǎng)的情況看，幾乎所有的新產(chǎn)品都是AC伺服系統在工業(yè)發(fā)達的   ，AC伺服電機的市場(chǎng)占有率已超過(guò)80%，在國內生產(chǎn)AC伺服電機的廠(chǎng)家也越來(lái)越多，正在逐步超過(guò)生產(chǎn)DC伺服電機的廠(chǎng)家?？梢灶A見(jiàn)，不久的將來(lái)，除了在某些微型電機之外，AC伺服電機將   取代DC伺服電機。
　　2、全數字化
　　采用新型高速微處理器和數字信號處理機(DSP)的伺服控制單元將取代模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實(shí)現   數字化的伺服系統。全數字化的實(shí)現，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統中應用現代控制理論的方法成為可能。
　　3、高度集成化
　　新的伺服系統產(chǎn)品改變了將伺服系統劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個(gè)模塊的做法，代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。同一個(gè)控制單元，只要通過(guò)軟件設置系統參數，就可以改變其性能，既可以使用電機本身配置的傳感器構成半閉環(huán)調節系統，又可以通過(guò)接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成的全閉環(huán)調節系統。
　　4、智能化
　　智能化是當前   工業(yè)控制設備的流行趨勢，伺服驅動(dòng)系統作為一種   的工業(yè)控制裝置當然也不例外。    新數字化的伺服控制單元通常都設計為智能型產(chǎn)品，他們的智能化特點(diǎn)表現在以下幾個(gè)方面。
　　(1)具有參數記憶功能系統的所有參數都可以通過(guò)人機對話(huà)的方式由軟件來(lái)設置，保存在伺服單元內部，通過(guò)通信接口，這些參數甚至可以在運行途中由上位計算機加以修改；
　　(2)具有故障自診斷與分析功能。無(wú)論什么時(shí)候，只要系統出現故障，就會(huì )將故障的類(lèi)型以及可能引起故障的原因通過(guò)用戶(hù)面板清楚地顯示出來(lái)，這就簡(jiǎn)化了維修與調試的復雜性；
　　(3)具有參數自整定的功能。眾所周知，閉環(huán)調節系統的參數整定是系統性能指標的重要環(huán)節，帶有自整定功能的伺服單元可以通過(guò)幾次試運行自動(dòng)將系統的參數整定出來(lái)，并自動(dòng)實(shí)現其    優(yōu)化。
　　綜上所述，伺服系統將向兩個(gè)方向發(fā)展：一個(gè)是滿(mǎn)足一般工業(yè)應用的要求，對性能指標要求不是很高的應用場(chǎng)合，追求低成本、少維護、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的驅動(dòng)產(chǎn)品，如變頻電機、變頻器等；另一個(gè)就是代表著(zhù)伺服系統發(fā)展水平的主導產(chǎn)品——伺服電機、伺服控制器，追求、高速度、數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化的驅動(dòng)控制，以滿(mǎn)足用戶(hù)較高的要求。