黃新宇

【摘 要】現(xiàn)階段，隨著社會的發(fā)展，我國的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也有了很大的進步。電機的主要功能是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涉及航空、機械運轉(zhuǎn)以及運輸?shù)榷鄠€行業(yè)。電力電子技術(shù)水平的不斷提升，使電機功能更加多樣化，尤其是在信息時代下，更體現(xiàn)了智能化的特點。電機為電機控制技術(shù)發(fā)展提供推動力，使其可以更加多方位地滿足安全需求。處理器和數(shù)字化伺服系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，相應(yīng)提高了數(shù)控系統(tǒng)計算性能，達(dá)到了縮減時間的目的。硬件伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)了向軟件伺服控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，提高了伺服系統(tǒng)運行性能。這些變革都為加工技術(shù)提供了推動力。

【關(guān)鍵詞】伺服電機；控制技術(shù)；應(yīng)用與發(fā)展

1 伺服控制系統(tǒng)

1.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)中并未設(shè)置檢測反饋設(shè)備，因此也不存在運動反饋控制回路。一旦設(shè)備發(fā)出了脈沖指令，這時電動機便開始運行。雖然可能存在運動誤差，但是不會做出任何信息錯誤反饋。期間，步進電動機在開環(huán)伺服中是最為關(guān)鍵的驅(qū)動部件。步進電機在步距角精度、機械傳動精度等方面具有極大優(yōu)勢，直接關(guān)系到開環(huán)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度。通常，針對開環(huán)系統(tǒng)精準(zhǔn)度沒有過高要求。盡管步進電動機的轉(zhuǎn)速不高，部件運行期間也存在限制，但其結(jié)構(gòu)精簡、可靠性高、制造成本低，所以為控制電路賦予了簡單的特點。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)部沒有對精度和速度提出嚴(yán)格要求的裝置，一般會使用步進電動機。

1.2 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

該系統(tǒng)中的主要裝置為無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，用以檢測位置、速度，而最關(guān)鍵的部件是裝載中放置的脈沖編碼器。電機軸中裝載了系統(tǒng)內(nèi)全部反饋信號，此外也包括負(fù)責(zé)系統(tǒng)機械傳動的裝置。非線性因素不會對系統(tǒng)運行造成影響，相反還會為安裝調(diào)試提供便利。機械傳動裝置精準(zhǔn)度與半閉環(huán)伺服系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度有直接關(guān)系，即便是機械傳動裝置的精度低，但是通過數(shù)控裝置中具備的誤差補償和間隙補償兩種功能，也會提升其精準(zhǔn)度。所以，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)更多被應(yīng)用于數(shù)控機床。

圖1所示是伺服電機控制系統(tǒng)，它以C8051F060為核心，同時還有顯示電路、編碼器、編碼器處理電路、RS485通信電路、伺服電機驅(qū)動電路、伺服電機。

2 伺服電機控制技術(shù)的應(yīng)用

2.1 在控制精準(zhǔn)度的應(yīng)用

全數(shù)字交流伺服是以2000線編碼器為標(biāo)準(zhǔn)，控制交流伺服則更能體現(xiàn)控制精準(zhǔn)度，將旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在交流伺服電機電機軸后方。驅(qū)動器的安裝使用四倍頻技術(shù)，脈沖量為0.045o。在數(shù)字化伺服電機系統(tǒng)中，如果使用17編碼器其脈沖量可以換算為1.8的步距角，為0.0027466o，電動機旋轉(zhuǎn)1圈接收一次131072個脈沖。兩相混合式和五相混合式是步進電機的兩種形式，兩相混合式步進電機的脈沖量數(shù)據(jù)較小，脈沖量為1/655.相比之下。其中，兩相混合式性能較高，步距角則主要以1.8o、0.9o為主經(jīng)過細(xì)分之后，性能較高的二相混合式步進電機步距角更小，可以有效實現(xiàn)五相混合式、普通二相混合式步距角的兼容，五相混合式步距角是以0.72o、0.36o為主；諸如0.072o、0.18o、0.9o等二相混合式在設(shè)置步距角時，可以利用撥碼開關(guān)的方式。

2.2 在低頻特性的應(yīng)用

受工作原理出現(xiàn)低頻振動狀態(tài)對步進電機正常運轉(zhuǎn)很大。低頻振動與電機系統(tǒng)內(nèi)的振動頻率和負(fù)載情況、驅(qū)動器性能有很大的關(guān)系，在低速運轉(zhuǎn)過程中，其主要存在于步進電機中。振動頻率是電機空載起跳頻率的1/2，控制低頻振動通常會使用阻尼技術(shù)來提升步進電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)。如：在控制過程中，利用驅(qū)動器中細(xì)分技術(shù)或通過設(shè)置阻尼器等。但如果電機處于低速運轉(zhuǎn)狀態(tài)中，為了使其運轉(zhuǎn)更為穩(wěn)定，通常使用交流伺服電機技術(shù)，這樣不會造成低頻振動問題。交流伺服電機系統(tǒng)攜帶著共振抑制功能，具備頻率解析功能，可以有效彌補機械剛性中存在的不足，能夠避免發(fā)生共振問題，有效監(jiān)測出機械共振點。

2.3 伺服電機控制方法

首先，對于電機軸來說，轉(zhuǎn)矩控制主要具有調(diào)節(jié)對外輸出轉(zhuǎn)矩的作用，利用輸入外部模擬量或者在地址上直接賦值的方式，如：10V與5N·m相對應(yīng)時，電機軸輸出為2.5N·m，外部模擬量設(shè)置為5V。當(dāng)電機軸負(fù)載大于2.5N·m時，電機反轉(zhuǎn)；當(dāng)電機軸負(fù)載小于2.6N·m時，電機不會運轉(zhuǎn)。并且通過通信方式或?qū)δM量進行調(diào)整的方式，可以改變設(shè)定矩的大小，改變相應(yīng)的地址數(shù)值。但諸如光纖設(shè)備等應(yīng)用對象為材質(zhì)受力要求則比較嚴(yán)苛的纏繞和放卷。其次，位置控制的轉(zhuǎn)動速度、角度，是以外部輸入脈沖頻率、個數(shù)來明確的。由于位置模式對于速度、位置的控制十分嚴(yán)苛，在速度和位移上，個別伺服可以直接采用通信的方式實現(xiàn)賦值。因此在定位裝置中應(yīng)用較多。為了控制轉(zhuǎn)動的速度，氣門利用了模擬量輸入、脈沖頻率等技術(shù)。上位控制裝置外環(huán)PID能夠準(zhǔn)確定位速度，但這一操作的計算依據(jù)需要將電機位置信號直接反饋給上位。檢測裝置負(fù)責(zé)提供位置信號，電機轉(zhuǎn)速的檢測可以由電機軸端編碼器負(fù)責(zé)，位置模式可以直接對外環(huán)檢測位置信號進行負(fù)載。如此一來，可以提升系統(tǒng)的定位精準(zhǔn)度，消除中間傳動操作中存在的誤差。

3 伺服電機控制技術(shù)的發(fā)展前景

電機控制專用繼承電路是企業(yè)設(shè)計伺服電機最普遍的形式，設(shè)計軟件主要為復(fù)雜可編程邏輯器件和現(xiàn)場可編程邏輯陣列。并且在設(shè)計電機控制集成電路時，需要依據(jù)用戶、電子系統(tǒng)要求。該電路能夠?qū)崿F(xiàn)操作邊界的有效掃描，特點在于用戶現(xiàn)場可操控編程。電機控制專用集成電路具有設(shè)計、生產(chǎn)時間短等特征，主要體現(xiàn)在制定用戶要求、數(shù)量少等方面。與通用電路相比，集成電路電子技術(shù)和用戶積淀系統(tǒng)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，重量情、成本低、體積小、功耗低，但質(zhì)量高。并且在電機控制MCU設(shè)計、電機控制DSP設(shè)計等方面，伺服電機控制技術(shù)也有所體現(xiàn)。交流伺服電動機屬于無刷結(jié)構(gòu)，提升功率與轉(zhuǎn)速快、維修幾率小。20世紀(jì)80年代中，伺服電機控制技術(shù)已經(jīng)融合催化加工技術(shù)，并且在今后的發(fā)展中也會獲得很大的發(fā)展。如：在數(shù)控系統(tǒng)中，伺服電機驅(qū)動已經(jīng)逐漸應(yīng)用起來。如今，交流伺服系統(tǒng)主要替換了直流伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)了在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。今后伺服電機控制技術(shù)的發(fā)展方向，就是在數(shù)控操作系統(tǒng)中全面實現(xiàn)直流伺服系統(tǒng)取締工作，硬件設(shè)備控制能夠替代軟件中應(yīng)用的控制。

4 結(jié)語

綜上所述，伺服電機控制技術(shù)具有綜合性特點，其中結(jié)合了通信技術(shù)、電力電子技術(shù)等，對于控制技術(shù)水平的提升和發(fā)展發(fā)揮了極大的推動作用。隨著伺服電機控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，未來必將朝著智能化、信息化以及高精密等方向不斷前進，從而設(shè)計、生產(chǎn)出質(zhì)量更高的數(shù)控產(chǎn)品。

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（作者單位：中車永濟電機有限公司）