探析伺服控制的结构类型及发展趋势

段云海 湖南师大附中梅溪湖中学

探析伺服控制的结构类型及发展趋势

段云海 湖南师大附中梅溪湖中学

随着工业领域技术的不断发展，以及全球各国之间的交流更加频繁，这加快了我国进入工业时代的脚步，工业智能产品由原来的大量进口，到最近几年国内出现很多自主研发的品牌产品，当然，产品还在不断的完善研究当中。伺服产品在工业智能产品中有着非常重要的位置，很多工业设备中运用非常频繁。本文从工业伺服系统的基本结构类型以及控制方式到目前发展现状、未来的发展趋势作出了总结。

伺服产品 目前现状 发展趋势

1 伺服控制基本概念

(1)伺服控制是实现电信号到机械运动的转换装置或部件，以位移、速度、加速度等参数为控制对象，在控制命令的指挥下，控制执行元件工作，使机械运动部件按照控制命令的要求进行运动，所以伺服控制是一种以机械参数作为被控量的自动控制系统。

(2)伺服控制也称随动控制，是一种能够及时跟踪输入给定信号并产生动作，从而获得精确的位置、速度等输出的自动控制系统。大多数伺服系统具有检测反馈回路，因而伺服控制是一种反馈控制系统。

2 伺服控制的基本类型

按控制原理的不同分为开环、全闭环和半闭环这三种基本类型伺服系统。

2.1 开环伺服系统

若伺服系统没有检测反馈信号的装置则称为开环伺服系统。开环伺服系统结构简单，但精度不是很高，且速度也有一定的限制。虽然开环控制在精度方面有不足，但其结构简单、成本低、调整和维修都比较方便，其工作稳定、可靠，因此在一些精度和速度要求不很高的场合，如线切割机、办公自动化设备中获得广泛应用。

2.2 全闭环伺服系统

控制系统中将检查装置件直接安装在移动部件上，直接测量移动部件的实际位移来进行位置反馈的系统称为全闭环伺服系统。该系统是实现高精度位置控制的一种理想的控制方案，但实现起来难度很大，存在稳定性问题：由于全部的机械传动链都被包含在位置闭环之中，机械传动链的惯量、间隙、摩擦、刚性等非线性因素都会给伺服系统造成影响，从而使系统的控制和调试变得异常复杂，制造成本亦会急速攀升。因此，全闭环伺服系统主要一般用于高精密和大型的机电一体化设备。

2.3 半闭环伺服系统

控制系统中将检查装置件安装在伺服电机轴或者传动装置末端，间接测量移动部件位移来进行位置反馈的系统称为半闭环伺服系统。在半闭环伺服系统中，将编码器和伺服电机作为一个整体，编码器完成角位移检查和速度检测，而用户无需考虑位置检测装置的安装问题，这种系统调试较容易、稳定性好，具有较高的性价比，被广泛应用于各种工业设备中。

3 交流AC伺服控制系统在我国的发展历程及现状

我国从1970年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和科研单位，以军工、宇航卫星为主要应用方向，不考虑成本因素。主要研究机构是北京机床所、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。80年代之后开始进入工业领域，直到2000年，国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。2000年之后，随着中国变成世界工厂、制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间，国内伺服迅速发展。

由于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料与控制理论的发展，目前已进入伺服技术的交流化时代，相继开发出各种类型的AC伺服系统，并广泛用于运动控制，在相当广泛的范围内，取代了步进电动机与直流伺服电动机驱动系统，时至当前，已成为伺服系统的主流。

4 伺服控制系统发展趋势

综合AC伺服系统的发展过程与现状，可以看出AC伺服系统的发展趋势主要表现为：

①伺服技术继续迅速地由直流伺服系统转向交流化。可以预见，在不远的将来，AC伺服系统将完全取代直流伺服系统。

②AC伺服系统向两大方向发展：一个方向是简易、低成本AC伺服系统将迅速发展，应用领域进一步扩大。与此相反，另一个方向是向更高性能的全数字化、智能化软件伺服的方向发展，这是AC伺服系统的发展主流，代表AC伺服系统发展的水平和主导方向。

③AC伺服系统中所用的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能功率集成电路将进一步得到普遍应用。

④AC伺服系统中所用的位置与速度传感器由单一功能向多功能一体化方向发展。传感器的电子信号处理部分将以微处理器为核心构成独立的微机系统，成为高性能AC伺服系统的一个关键组成部分；另一方面与简易低成本AC伺服系统的发展相适应，小型低成本低分辨率传感器也将得到更广泛的应用。

⑤在AC伺服系统控制器的制造上，结构日趋小型化，采用多单元组合构成多坐标轴控制器，大板结构，可靠性进一步提高，便于维护及扩充。

[1]刘宏新.机电一体化技术[M].北京：机械工业出版社，2015：206.

[2]郭庆鼎，王成元.交流伺服系统[M].北京：机械工业出版社，1994：225.

段云海，姓别：男，民族：汉族，籍贯：湖南省长沙市，单位：湖南师大附中梅溪湖中学，研究方向：电子信息方面。