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1應(yīng)用趨勢(shì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)不僅在理論上飛速發(fā)展，在其應(yīng)用器件上也日新月異。模塊化、數(shù)字化、高精度、長(zhǎng)壽命的器件每隔3～5年就有更新?lián)Q代的產(chǎn)品面市。傳統(tǒng)的交流伺服電機(jī)特性軟，并且其輸出特性不是單值的;步進(jìn)電機(jī)一般為開環(huán)控制而無(wú)法準(zhǔn)確定位，電動(dòng)機(jī)本身還有速度諧振區(qū)，pwm調(diào)速系統(tǒng)對(duì)位置跟蹤性能較差，變頻調(diào)速較簡(jiǎn)單但精度有時(shí)不夠，直流電機(jī)伺服系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能被廣泛的應(yīng)用于位置隨動(dòng)系統(tǒng)中，但其也有缺點(diǎn)，例如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在超低速時(shí)死區(qū)矛盾突出，并且換向刷會(huì)帶來(lái)噪聲和維護(hù)保養(yǎng)問(wèn)題。目前，新型的永磁交流伺服電機(jī)發(fā)展迅速，尤其是從方波控制發(fā)展到正弦波控制后，系統(tǒng)性能更好，它調(diào)速范圍寬，尤其是低速性能*。

交直流伺服電機(jī)系統(tǒng)

下面從功率驅(qū)動(dòng)、性能、保護(hù)電路等方面，敘述其和直流伺服電機(jī)系統(tǒng)的不同特點(diǎn)。

功率驅(qū)動(dòng)

對(duì)于在雷達(dá)上經(jīng)常使用的直流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率放大部分，當(dāng)天線重量輕，轉(zhuǎn)速慢，驅(qū)動(dòng)功率較小時(shí)，一般為幾十瓦，可以直接用直流電源控制電動(dòng)機(jī)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率要求在近千瓦或千瓦以上時(shí)，選擇驅(qū)動(dòng)方案，也即放大直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流，就是設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)的重要部分。大功率直流電源目前采用較多的有:晶體管功放、晶閘管功放和電機(jī)放大機(jī)等等。對(duì)于千瓦級(jí)的晶體管功放使用的較少?？煽毓杓夹g(shù)在上世紀(jì)60～70年代初得到快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，但因當(dāng)時(shí)的各方面原因，如可靠性等，不少產(chǎn)品放棄了可控硅控制。目前的集成驅(qū)動(dòng)模塊一般都為晶體管或晶閘管制造。電機(jī)放大機(jī)是傳統(tǒng)的直流伺服電機(jī)的功放裝置，因其控制簡(jiǎn)單，結(jié)實(shí)耐用，目前的新型號(hào)的雷達(dá)產(chǎn)品上仍有采用。下面主要以放大電機(jī)為例，和交流伺服電機(jī)比較其優(yōu)缺點(diǎn)。

放大電機(jī)常稱為擴(kuò)大機(jī)，一般是用交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)串聯(lián)的兩級(jí)直流發(fā)電機(jī)組，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)直流控制。兩組控制繞組，每組的輸入阻抗為幾千歐，若串接使用輸入阻抗約10千歐，一般為互補(bǔ)平衡對(duì)稱輸入，當(dāng)系統(tǒng)輸入不為零時(shí)打破其平衡，使放大電機(jī)有輸出信號(hào)。當(dāng)輸入電流為十幾到幾十毫安時(shí)其輸出可達(dá)100v以上的直流電壓和幾安到幾十安的電流，直接接到直流伺服電機(jī)的電樞繞組上。其主要缺點(diǎn)是體積重量大，非線性度，尤其在零點(diǎn)附近不是很好，這對(duì)于要求高的系統(tǒng)需要仔細(xì)處理。

而交流伺服電機(jī)都配有專門的驅(qū)動(dòng)器，它在體積和重量上遠(yuǎn)小于同功率的放大電機(jī)，它靠?jī)?nèi)部的晶體管或晶閘管組成的開關(guān)電路，根據(jù)伺服電機(jī)內(nèi)的光電編碼器或霍爾器件判斷轉(zhuǎn)子當(dāng)時(shí)的位置，決定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的a、b、c三相應(yīng)輸出的狀態(tài)，因此它的效率和平穩(wěn)性都很好。所以不像控制放大電機(jī)需要做專門的功放電路。這種電機(jī)一般都為永磁式的，驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的a、b、c三相變化的電流控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此稱為交流伺服電機(jī);驅(qū)動(dòng)器輸入的控制信號(hào)可以是脈沖串，也可以是直流電壓信號(hào)（一般為±10v），所以也有將其稱為直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。

兩種電機(jī)的簡(jiǎn)單試驗(yàn)比較

對(duì)兩種電機(jī)作過(guò)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)比較:只要將系統(tǒng)原先的直流誤差信號(hào)直接接入交流伺服驅(qū)動(dòng)器的模擬控制輸入端，用交流伺服電機(jī)和它的驅(qū)動(dòng)器代替原先的差分功放、電機(jī)放大機(jī)和直流伺服電機(jī)，而控制部分和測(cè)角元件等均不變，簡(jiǎn)單比較兩種方案的輸出特性。

2交流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制原理

隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。在控制方式上用脈沖串和方向信號(hào)實(shí)現(xiàn)。

一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，位置控制方式 。

速度控制和轉(zhuǎn)矩控制都是用模擬量來(lái)控制的。位置控制是通過(guò)發(fā)脈沖來(lái)控制的。具體采用什么控制方式要根據(jù)客戶的要求，滿足何種運(yùn)動(dòng)功能來(lái)選擇。

如果您對(duì)電機(jī)的速度、位置都沒(méi)有要求，只要輸出一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩，當(dāng)然是用轉(zhuǎn)矩模式。

如果對(duì)位置和速度有一定的精度要求，而對(duì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩不是很關(guān)心，用轉(zhuǎn)矩模式不太方便，用速度或位置模式比較好。如果上位控制器有比較好的閉環(huán)控制功能，用速度控制效果會(huì)好一點(diǎn)。如果本身要求不是很高，或者，基本沒(méi)有實(shí)時(shí)性的要求，用位置控制方式對(duì)上位控制器沒(méi)有很高的要求。

就伺服驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度來(lái)看，轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)算量小，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)快；位置模式運(yùn)算量大，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)慢。

對(duì)運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)性能有比較高的要求時(shí)，需要實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。那么如果控制器本身的運(yùn)算速度很慢（比如PLC，或低端運(yùn)動(dòng)控制器），就用位置方式控制。如果控制器運(yùn)算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅(qū)動(dòng)器移到控制器上，減少驅(qū)動(dòng)器的工作量，提率（比如大部分中運(yùn)動(dòng)控制器）；如果有更好的上位控制器，還可以用轉(zhuǎn)矩方式控制，把速度環(huán)也從驅(qū)動(dòng)器上移開，這一般只是專用控制器才能這么干，而且，這時(shí)*不需要使用伺服電機(jī)。

換一種說(shuō)法是：

1、轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對(duì)應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時(shí)電機(jī)軸輸出為2.5Nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)（通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^(guò)即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來(lái)改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過(guò)通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。

2、位置控制：位置控制模式一般是通過(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等。

3、速度模式：通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來(lái)提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過(guò)程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。