1伺服系統(tǒng)的基本概念
1.1名詞
“伺服”—詞源于希臘語“奴隸”的意思。人們想把“伺服機(jī)構(gòu)”當(dāng)個(gè)得心應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號(hào)的要求而動(dòng)作。在訊號(hào)來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng);訊號(hào)來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)訊號(hào)消失，轉(zhuǎn)子能即時(shí)自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名—伺服系統(tǒng)。
1.2定義
伺服系統(tǒng)—是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)值(或給定值)的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
伺服的主要任務(wù)是按控制命令的要求，對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力距、速度和位置控制得非常靈活方便。
1.3伺服系統(tǒng)的組成
伺服系統(tǒng)如圖1所示，是具有反饋的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它由位置檢測(cè)部分、誤差放大部分、執(zhí)行部分及被控對(duì)象組成。
1.4伺服系統(tǒng)的性能要求
伺服系統(tǒng)必須具備可控性好，穩(wěn)定性高和速應(yīng)性強(qiáng)等基本性能。說明一下，可控性好是指訊號(hào)消失以后，能立即自行停轉(zhuǎn);穩(wěn)定性高是指轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)距的增加而均勻下降;速應(yīng)性強(qiáng)是指反應(yīng)快、靈敏、響態(tài)品質(zhì)好。
1.5伺服系統(tǒng)的種類
通常根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)的種類來分類，有電氣式、油壓式或電氣—油壓式三種。
伺服系統(tǒng)若按功能來分，則有計(jì)量伺服和功率伺服系統(tǒng);模擬伺服和功率伺服系統(tǒng);位置伺服和加速度伺服系統(tǒng)等。
電氣式伺服系統(tǒng)根據(jù)電氣信號(hào)可分為DC直流伺服系統(tǒng)和AC交流伺服系統(tǒng)二大類。AC交流伺服系統(tǒng)又有異步電機(jī)伺服系統(tǒng)和同步電機(jī)伺服系統(tǒng)兩種。
這里只討論電氣式伺服系統(tǒng)中的一種—交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)。
2交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)
伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠忠實(shí)地跟隨控制命令而動(dòng)作，例如數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)人，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的性能有重要影響，甚至起關(guān)鍵作用。故需進(jìn)一步認(rèn)識(shí)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在其中的地位和作用。
2.1AC伺服系統(tǒng)
電氣伺服技術(shù)應(yīng)用最廣，主要原因是控制方便，靈活，容易獲得驅(qū)動(dòng)能源，沒有公害污染，維護(hù)也比較容易。特別是隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，它為電氣伺服技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景。
早在70年代，小慣量的伺服直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)實(shí)用化了。到了70年代末期交流伺服系統(tǒng)開始發(fā)展，逐步實(shí)用化，AC伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來越廣,并且還有取代DC伺服系統(tǒng)的趨勢(shì)成為電氣伺服系統(tǒng)的主流。
在AC伺服系統(tǒng)中，可分為同步和異步型AC伺服系統(tǒng)兩種。
AC伺服系統(tǒng)—→異步型—-→兩相異步機(jī);
→三相異步機(jī)(力距電機(jī))。
→同步型→磁阻式(開關(guān)式);
→磁滯式(反應(yīng)式);
→永磁式。
永磁轉(zhuǎn)子的同步伺服電動(dòng)機(jī)由于永磁材料不斷提高，價(jià)格不斷下降，控制又比異步電機(jī)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)高性能的緣故，所以永磁同步電機(jī)的AC伺服系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛。
目前，在交流同步伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，普通應(yīng)用的交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)有兩大類。一類稱為無刷直流電動(dòng)機(jī)，它要求將方波電流直入定子繞組。詳見參改文獻(xiàn);如一類稱為三相永磁同步電動(dòng)機(jī)，它要求輸入定子繞組的電源仍然是三相正弦波形。詳見參改文獻(xiàn)⑵。前者簡(jiǎn)稱為BLDCM電機(jī)，后者簡(jiǎn)稱PM·SM電機(jī)。
2.2以數(shù)控機(jī)床為例看AC永磁同步機(jī)伺服系統(tǒng)
系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)、伺服驅(qū)動(dòng)器(SD)、永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)(SM)及位置(速度)傳感器(S)等組成。
CNC用來存儲(chǔ)零件加工程序、進(jìn)行各種插補(bǔ)運(yùn)算和軟件實(shí)時(shí)控制，向各坐標(biāo)軸的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令。
SD和SM接收到CNC的控制命令后，快速平滑調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度并精確地進(jìn)行位置控制。
S代表位置和速度傳感器(或檢測(cè)器)
目前AC伺服系統(tǒng)常用的位置和速度檢測(cè)器有光電式和電磁式兩種。例如光電編碼器、磁編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器(BR)以及多轉(zhuǎn)式絕對(duì)值編碼器。后面二種，可作多種檢測(cè)功能應(yīng)用，既可檢測(cè)系統(tǒng)位置和轉(zhuǎn)子速度，又可檢測(cè)系統(tǒng)位置和轉(zhuǎn)子速度，又可檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置。它堅(jiān)固耐用，不怕震動(dòng)，耐高溫，惟存在信號(hào)處理電路復(fù)雜缺點(diǎn)。
無刷直流電動(dòng)機(jī)(BL、DCM)中轉(zhuǎn)子磁極位置檢測(cè)方法，一般都做到無接觸式，常用的有電磁式、光電式和間接檢測(cè)方式。
(1)電磁式:a.差動(dòng)變壓器式;b.接近開關(guān)式;
(2)磁敏式:霍爾元件集成電路及�？�;
(3)光電式:a.簡(jiǎn)單光電式(光敏晶體管);
b.絕對(duì)式光電編碼盤;
c.增量式光電編碼盤。
(4)間接式:利用電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(電壓)間接檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置。它用于精度要求不高的場(chǎng)合。
數(shù)控機(jī)床用于精密機(jī)械加工，所以對(duì)伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)精度有很高的要求，并具有寬廣的調(diào)速范圍和定位精度而工業(yè)機(jī)器人的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，但伺機(jī)服電動(dòng)機(jī)SM作為工業(yè)機(jī)器人手臂和腰、腿的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，要求其體積小，重量輕，且能產(chǎn)生大轉(zhuǎn)距。又由于工業(yè)機(jī)器人不同的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，伺服電機(jī)軸上慣量和力矩將發(fā)生很大變化，因此，適應(yīng)性有更高要求。
2.3交流永磁同步電動(dòng)機(jī)AC伺服系統(tǒng)
交流永磁同步電動(dòng)機(jī)AC伺服系統(tǒng)由永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)SM1速度和位置傳感器BR、PWM功率逆變器UI以及具有PI功能的速度控制器ASR和電流控制器ACR等部分組成。
AC伺服系統(tǒng)工作原理如下:速度指令和速度反饋信號(hào)在ASR速度控制器的輸入端比較，ASR輸出信號(hào)為電流指令信號(hào)在乘法器中相乘就得到交流電流指令。交流電流指令值與電流反饋信號(hào)相比較后，差值送入ACR電流控制器。
PWM或SPWM(正弦脈沖寬度調(diào)制)波形生成電路及功率逆變器，輸出三相變壓變頻的交流電給永磁同步電動(dòng)機(jī)SM的定子繞組，并使輸入電樞繞組中的交流電流保持良好的正弦性。(SM轉(zhuǎn)子裝有特殊形狀的永磁體，產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，因此提高SM的效率)。
交流三相永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)舉例:
無刷直流電動(dòng)機(jī)BLDCM可以用作AC伺服系統(tǒng)，但不是它唯一的應(yīng)用，主要用作大型設(shè)備起動(dòng)和調(diào)速裝置。同樣PM、SM也不僅僅可以用作AC伺服系統(tǒng)，主要還是用于他控式永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。但是三相SPWM、PM、SM交流伺服系統(tǒng)具有更優(yōu)越的低速伺服性能，因而廣泛用于數(shù)控機(jī)慶，工業(yè)機(jī)器人等到高性能伺服系統(tǒng)中。
現(xiàn)以某公司的AC伺服系統(tǒng)產(chǎn)品為例說明。
ASR-速度調(diào)節(jié)器，Π-乘法器，
ACR-電流調(diào)節(jié)器，Σ-加法器，
旋轉(zhuǎn)變壓器在該系統(tǒng)中用來檢測(cè)磁極位置和轉(zhuǎn)子速度。旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁信號(hào)的角頻率要求遠(yuǎn)大于PM、SM電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子角速度，并且頻率必須非常穩(wěn)定，正弦、余弦勵(lì)磁信號(hào)相位應(yīng)該嚴(yán)格正交關(guān)系，才能提高檢測(cè)精度和可靠性，因此，系統(tǒng)中采用3.795MHZ晶體振蕩器。
系統(tǒng)中還有轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)的解調(diào)環(huán)節(jié)及轉(zhuǎn)子速度信號(hào)的解調(diào)環(huán)節(jié)。
該伺服系統(tǒng)控制將靜止坐標(biāo)系中的直流量工q(轉(zhuǎn)矩電流)工d(去磁電流)變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的二相交流量工α、工β，然后通過2/3變換為三相電流工A、工B、工C、再利用電流負(fù)反饋構(gòu)成電流閉環(huán)，使PM、SM電動(dòng)機(jī)定子繞組中三相電流與指令保持一致。
SPWM、PM、SM交流伺服系統(tǒng)，在定子繞組內(nèi)通入三相正弦電流以便獲得更好的平穩(wěn)性以及優(yōu)越低速的伺服特性。
3西門子公司同步伺服電動(dòng)機(jī)1Fk6/1FT6系列
(SIEMENSSYNCHRONOUSSERVOMOTORS)
3.1西門子公司伺服電動(dòng)機(jī)
SIEMENS伺服電動(dòng)機(jī)有同步伺服電動(dòng)機(jī)1FK6/1FT6和異步伺服電動(dòng)機(jī)IPA6/IPL6兩種。這里只討論同步伺服電動(dòng)機(jī)1FK6/1FT6系列。
⑴1FK6伺服電動(dòng)機(jī)是標(biāo)準(zhǔn)伺服電動(dòng)機(jī)，無法蘭聯(lián)接的永磁同步電動(dòng)機(jī)。自然冷卻，防護(hù)等級(jí)IP64。功率0.5~5.2KW轉(zhuǎn)矩0.8~16.5NM
⑵1FT6伺服電動(dòng)機(jī)是永磁同步電動(dòng)機(jī)。防護(hù)等級(jí)IP64
自然冷卻0.5~15.5KW，0.8~88NM。
強(qiáng)迫通風(fēng)6.9~34.6kW，17~160NM。
水冷卻11~27.6kW,17~78NM.
詳見SIEMENS產(chǎn)品樣本資料，DA65.3、1998(P．2/1~2/8)
3.21Fk6/1FT6同步伺服電動(dòng)機(jī)特點(diǎn):
1FK6/1FT6是三相稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)。
⑴高靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，大過載能力，可以很快加速。
Mmcx=1.6~3.0Me(額定力矩)。
⑵動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)良。
可以上升時(shí)間短,到達(dá)預(yù)期位置沒有超調(diào)
⑶具有很精確的位置分辨率
一般情況下,1FK6用于小功率范圍(≤5.2kW)
1FT6用于較大功率范圍(≤27.6kW)
3.3西門子永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)功率的選擇
根據(jù)轉(zhuǎn)矩來選擇電機(jī)功率
轉(zhuǎn)矩均方根值
轉(zhuǎn)速平均值
式中:T—周期,A-起始,E—終結(jié),I—某瞬時(shí),
伺服電機(jī)選擇原則:
⑴負(fù)載曲線上所有Mrms必須在電機(jī)轉(zhuǎn)矩極限曲線S1的下方;
⑵負(fù)載曲線上所有nmean必須小于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。
3.4變頻器容量如何與同步電動(dòng)機(jī)匹配？
⑴孌頻器種類可以選用多種型式
①SIEMENSMASTERDRIVESVC—IFX6
②SIEMENSMASTERDRIVESMC—IFK6/IFT6
③SIEMENSSIMODRIVES—1FT6
⑵變頻器容量選用原則:
對(duì)于同步伺服電動(dòng)機(jī)1FK6/1FT6。
同步伺服電動(dòng)機(jī)平均電流計(jì)算公式:
式中:kTn—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)
變頻器容量(額定電流)選用公式:I0≤Ivn
式中:I0—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)停車時(shí)的電流，
Ivn—變頻器的額定電流。
實(shí)際上，SIEMENS公式有表格提供可查到1FK6/IET6什么電機(jī)應(yīng)匹配什么變頻器。無需具體計(jì)算。
詳見SIEMENS技術(shù)資料DA65.111999(p4/4→4/13)
4三相正弦波永磁同步伺服系統(tǒng)(SPWM、PM、SM)和無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)的比較
三相永磁同步電動(dòng)機(jī)(PM、SM)是AC伺服系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
主要有二大類:
(1)無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)，用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極，將原直流電動(dòng)機(jī)的電樞變?yōu)槎ㄗ�。有刷直流電�?dòng)機(jī)是依靠機(jī)械換向器將直流電流轉(zhuǎn)換為近似梯形波的交流電流供給電樞繞組，而無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)是將方波電流(實(shí)際上也是梯形波)直接輸入定子。將有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子顛倒一下，并采用永磁轉(zhuǎn)子，就可以省去機(jī)械換向器和電刷，由此得名無刷直流電動(dòng)機(jī)。
上述兩類永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)也可從永磁體轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定子相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)力波形來區(qū)分。BLDCM定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波，為了產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，要求功率逆變器向BLDCM定子輸入三相對(duì)稱方波電流，而SPWM、PM、SM定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為近似正弦波，需要向SPWM、PM、SM定子輸入三相對(duì)稱正弦波電流。
圖7為PM、SM和BLDCM兩種電動(dòng)機(jī)對(duì)比波形。
圖中，Bm—永磁體磁通密度，
Ea—定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，
Ia—定子每相電流，
Pa,Pb，Pc—定子每相功率，
P—總功率。
綜上所述兩類永磁AC同步伺服電動(dòng)機(jī)的差異歸納如下:表1控制原理相似，給定指令信號(hào)加到AC伺服系統(tǒng)的輸入端，電動(dòng)機(jī)軸上位置反饋信號(hào)與給定位置相比較，根據(jù)比較結(jié)果控制伺服的運(yùn)動(dòng)，直至達(dá)到所要求的位置為止。PM、SM和BLDCM二類伺服系統(tǒng)構(gòu)成的基本思路是一致的。但PM、SM伺服系統(tǒng)要求定子輸入三相正弦波電流，可以獲得更好的平穩(wěn)性，具有更優(yōu)越的低速伺服性能。因而廣泛用于數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人等高性能伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。
5、結(jié)語(AC伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì))
(1)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)由DC伺服系統(tǒng)迅速地向AC伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，可以預(yù)見在不久的將來，AC伺服系統(tǒng)將完全取代DC伺服系統(tǒng)。
(2)AC伺服系統(tǒng)向兩個(gè)方向發(fā)展:
一個(gè)方向是簡(jiǎn)易、低成本AC伺服系統(tǒng)，例如簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床，辦公室自動(dòng)化設(shè)備、家用電器計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備以及對(duì)性能要求不高的工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制，它是一個(gè)量大面廣的不可忽視的應(yīng)用領(lǐng)域，勢(shì)將迅速發(fā)展和擴(kuò)大。
另一個(gè)方面是更高性能、全數(shù)字化智能化軟件伺服系統(tǒng)，以滿足高精度、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人特別加工裝備精細(xì)進(jìn)給的需要。它將代表AC伺服系統(tǒng)發(fā)展水平和主導(dǎo)方向，亦將成為AC伺服系統(tǒng)的發(fā)展主流。