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1應(yīng)用趨勢

自動控制系統(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)控制而無法準(zhǔn)確定位，電動機(jī)本身還有速度諧振區(qū)，pwm調(diào)速系統(tǒng)對位置跟蹤性能較差，變頻調(diào)速較簡單但精度有時不夠，直流電機(jī)伺服系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能被廣泛的應(yīng)用于位置隨動系統(tǒng)中，但其也有缺點，例如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在超低速時死區(qū)矛盾突出，并且換向刷會帶來噪聲和維護(hù)保養(yǎng)問題。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、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。

功率驅(qū)動

對于在雷達(dá)上經(jīng)常使用的直流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動電動機(jī)功率放大部分，當(dāng)天線重量輕，轉(zhuǎn)速慢，驅(qū)動功率較小時，一般為幾十瓦，可以直接用直流電源控制電動機(jī)。當(dāng)驅(qū)動功率要求在近千瓦或千瓦以上時，選擇驅(qū)動方案，也即放大直流電動機(jī)的電樞電流，就是設(shè)計伺服系統(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。對于千瓦級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，因其控制簡單，結(jié)實耐用，目前的新型號的雷達(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。

放大電機(jī)常稱為擴(kuò)大機(jī)，一般是用交流異步感應(yīng)電動機(jī)拖動串聯(lián)的兩級直流發(fā)電機(jī)組，以此來實現(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)平衡對稱輸入，當(dāng)系統(tǒng)輸入不為零時打破其平衡，使放大電機(jī)有輸出信號。當(dāng)輸入電流為十幾到幾十毫安時其輸出可達(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。其主要缺點是體積重量大，非線性度，尤其在零點附近不是很好，這對于要求高的系統(tǒng)需要仔細(xì)處理。

而交流伺服電機(jī)都配有專門的驅(qū)動器，它在體積和重量上遠(yuǎn)小于同功率的放大電機(jī)，它靠內(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)時的位置，決定驅(qū)動電機(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)動器產(chǎn)生的a、b、c三相變化的電流控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，因此稱為交流伺服電機(jī);驅(qū)動器輸入的控制信號可以是脈沖串，也可以是直流電壓信號（一般為±10v），所以也有將其稱為直流無刷電動機(jī)。

兩種電機(jī)的簡單試驗比較

對兩種電機(jī)作過簡單的試驗比較:只要將系統(tǒng)原先的直流誤差信號直接接入交流伺服驅(qū)動器的模擬控制輸入端，用交流伺服電機(jī)和它的驅(qū)動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)，而控制部分和測角元件等均不變，簡單比較兩種方案的輸出特性。

2交流伺服電動機(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，運動控制系統(tǒng)中大多采用全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動機(jī)。在控制方式上用脈沖串和方向信號實現(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控制的。位置控制是通過發(fā)脈沖來控制的。具體采用什么控制方式要根據(jù)客戶的要求，滿足何種運動功能來選擇。

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

如果對位置和速度有一定的精度要求，而對實時轉(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，用速度控制效果會好一點。如果本身要求不是很高，或者，基本沒有實時性的要求，用位置控制方式對上位控制器沒有很高的要求。

就伺服驅(qū)動器的響應(yīng)速度來看，轉(zhuǎn)矩模式運算量小，驅(qū)動器對控制信號的響應(yīng)快；位置模式運算量大，驅(qū)動器對控制信號的響應(yīng)慢。

對運動中的動態(tài)性能有比較高的要求時，需要實時對電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。那么如果控制器本身的運算速度很慢（比如PLC，或低端運動控制器），就用位置方式控制。如果控制器運算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅(qū)動器移到控制器上，減少驅(qū)動器的工作量，提率（比如大部分中運動控制器）；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)動器上移開，這一般只是專用控制器才能這么干，而且，這時*不需要使用伺服電機(jī)。

換一種說法是：

1、轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機(jī)軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時電機(jī)軸輸出為2.5Nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm時電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時電機(jī)反轉(zhuǎn)（通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應(yīng)用主要在對材質(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更改以確保材質(zhì)的受力不會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外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對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：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號或直接負(fù)載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機(jī)軸端的編碼器只檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的終負(fù)載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。