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    公司新聞
    伺服技術的發展過程及趨勢
    發布時間: 2024-09-13 20:24 更新時間: 2024-12-26 09:10
    電氣伺服技術應用Zui廣,主要原因是控制方便、靈活,容易獲得驅動能源,沒有公害污染,維護也比較容易。特別是電子技術和計算機軟件技術的發展,為電氣伺服技術的發展提供了廣闊的前景。


    從電機發展過程看,異步交流伺服電機特性軟,并且控制比同步電機復雜。圖片步進電機一般為開環控制而無法準確定位,電機本身還有速度諧振區,PWM調速系統對位置跟蹤性能較差,變頻調速較簡單但精度有時不夠。直流電機伺服系統以其優良的性能被廣泛地應用于位置隨動系統中,但也有其缺點,例如結構復雜,在超低速時死區矛盾突出,并且換向刷會帶來噪聲和維護保養問題。考慮以上不足,無刷直流電機(BLDCM)用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電機的定子磁極,將原直流電機的電樞變為定子。有刷直流電機是依靠機械換向器將直流電流轉換為近似梯形波的交流電流供給電樞繞組,而無刷直流電機是將方波電流(實際上也是梯形波)直接輸入定子。這種方波會引起系統轉矩的波動,系統的平穩度不如永磁交流伺服電機。由于永磁材料的性能不斷提高,價格不斷下降,控制又比異步電機簡單,容易實現高性能等緣故,永磁同步電機的交流伺服系統應用更為廣泛。圖片在控制策略上,基于電機穩態數學模型的電壓/頻率控制方法和開環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解耦數學模型的矢量控制方法,這是現代伺服系統的核心控制方法。雖然人們為了進一步提高控制特性和穩定性,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,還有不依賴數學模型的模糊控制和神經元網絡控制方法,但是大多是在矢量控制的基礎上附加應用這些控制方法。此外,高性能伺服控制必須依賴高精度的轉子位置反饋,當前的轉子位置識別都是靠對編碼器的Z脈沖或者C/D通道的識別來實現的,這給控制系統帶來很大難度。人們一直希望取消這個環節,于是發展了無位置傳感器技術(Sensorless Control)。至今,在商品化的產品中,采用無位置傳感器技術只能達到大約1∶100的調速比,可以用在一些低檔的、對位置和速度精度要求不高的伺服控制場合中,比如單純追求快速啟停和制動的縫紉機伺服控制。這個技術的高性能化還有待進一步發展。圖片從前面的討論可以看出,數字化交流伺服系統的應用越來越廣,用戶對伺服驅動技術的要求越來越高。總體來說,伺服系統的發展趨勢可以概括為以下幾個方面。(1)交流代替直流伺服技術將繼續迅速地由直流伺服系統轉向交流伺服系統。從目前國際市場的情況看,幾乎所有的新產品都是交流伺服系統。在工業發達國家,交流伺服電機的市場占有率已經超過80%。如西門子正在致力推出Sinamics S120交流伺服裝置,而傳統機床上的直流伺服6RA26設備將逐漸被淘汰。可以預見,在不久的將來,除了在某些微型電機領域之外,交流伺服電機將完全取代直流伺服電機。(2)數字代替模擬模擬控制器常用運算放大器及相應的電氣元件實現,具有物理概念清晰、控制信號流向直觀等優點。但其控制規律體現在硬件電路和所用的器件上,因而線路復雜,通用性差,控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響。采用新型高速微處理器和專用數字信號處理機(DSP)的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元,從而實現完全數字化的伺服系統。全數字化的實現,將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制。例如,傳統的伺服系統電流環回路都是模擬電子回路,不能靠參數調整,而且經常由于溫度或者其他原因產生零漂、積分飽和等不良現象。而現在的電流環都完成了驅動器中數字化,可以通過軟件對其調整,避免了零漂,同時有助于參數的監控、保存等。(3)新型電力電子半導體器件目前,伺服控制系統的輸出器件越來越多地采用開關頻率很高的新型功率半導體器件,主要有大功率晶體管(GTR)、功率場效應管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等。這些先進器件的應用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗,提高了系統的響應速度,降低了運行噪聲。(4)高度集成化新的伺服系統產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。同一個控制單元,只要通過軟件設置系統參數,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調節系統,又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成高精度的全閉環調節系統。高度的集成化還顯著縮小了整個控制系統的體積,使得伺服系統的安裝與調試工作都得到了簡化。高度的集成化包括電路的集成、功能的集成、通信口的集成等,例如西門子的S120伺服驅動器,通過軟件組態,既可以作速度控制,又可以實現基本定位功能。西門子的SimotionD系統內部集成了驅動的控制單元CU320,既可以實現對驅動的控制,也可以實現復雜的運動控制功能。(5)智能化、簡易化智能化、簡易化是當前所有工業控制設備的流行趨勢,伺服驅動系統作為一種gaoji的工業控制裝置當然也不例外。Zui新數字化的伺服控制單元通常都設計為智能型產品,它們的智能化特點表現在以下幾個方面:首先,系統的參數既可以通過相應的調試軟件進行修改,又可以通過人機界面作實時修改,應用起來十分方便;其次,它們都具有故障自診斷與分析功能,無論什么時候,只要系統出現故障,就會將故障的類型甚至可能引起故障的原因通過用戶界面清楚地顯示出來,同時又將故障記錄保存在特定的參數中,這就簡化了維修與調試的復雜性。除以上特點之外,有的伺服系統還具有參數自整定的功能。眾所周知,閉環調節系統的參數整定是保證系統性能指標的重要環節,也是需要耗費較多時間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運行,自動將系統的參數整定出來,并自動實現其Zui優化。對于使用伺服單元的用戶來說,這是新型伺服系統Zui具吸引力的特點之一。例如西門子的伺服驅動器S120,借助其調試軟件,將整個控制回路通過圖表的方式展現給用戶,方便用戶調試與故障診斷,另外,還為用戶提供了功能函數發生器、Trace、伯德圖測量、自動優化功能。這些都是裝置智能化、簡易化的體現。(6)模塊化和網絡化在國外,以工業局域網技術為基礎的工廠自動化工程技術在Zui近十年得到了長足的發展,并顯示出良好的發展勢頭。為適應這一發展趨勢,Zui新的伺服系統都配置了標準的串行通信接口(如RS-232C或RS-422接口等)和專用的局域網接口。這些接口的設置,顯著地增強了伺服單元與其他控制設備間的互連能力,從而與CNC系統間的連接也變得十分簡單,只需要一根電纜或光纜,就可以將數臺甚至數十臺伺服單元與上位計算機連接成為整個數控系統。也可以通過串行接口,與可編程控制器(PLC)的數控模塊相連。西門子的伺服驅動器S120將控制單元、整流單元、電機模塊、編碼器等都進行了模塊化的設計,模塊之間采用Drive-CLiQ網絡通信進行數據交換,使系統的配置變得更加靈活。由于一個控制單元可以同時驅動多個電機模塊,這樣多個軸之間可以共享一個控制單元或者整流單元,節省了資源,如圖所示。圖片Sinamics S120伺服驅動系統,伺服系統將向兩個方向發展:一個是滿足一般工業應用要求、對性能指標要求不高的應用場合,追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅動產品,如變頻電機、變頻器等;另一個就是代表著伺服系統發展水平的主導產品——伺服電機、伺服控制器,追求高性能、高速度、數字化、智能化、網絡化的驅動控制,以滿足用戶較高的應用要求。



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