伺服系統(tǒng)的發(fā)展和優(yōu)點(diǎn)

1、伺服系統(tǒng)的發(fā)展和優(yōu)點(diǎn)二十世紀(jì) 80 年代早期，當(dāng)機(jī)械制造公司為汽車(chē)制造引擎和變速箱 時(shí)，每分鐘的停工成本逾千美元， 制造商需要一種解決辦法保護(hù)開(kāi)工率， 并且一旦出現(xiàn)故障，應(yīng)當(dāng)盡快地恢復(fù)生產(chǎn)。滿足最長(zhǎng)開(kāi)工期的需求最終 成為了伺服系統(tǒng)得以應(yīng)用的催化劑。長(zhǎng)期以來(lái)，伺服動(dòng)作控制作為昂貴的元件集合，服務(wù)于要求精度和 過(guò)程效率的高性能應(yīng)用?，F(xiàn)如今，批量生產(chǎn)和技術(shù)革新使成本降低，伺 服系統(tǒng)頻繁地出現(xiàn)在低性能應(yīng)用中，在這里伺服系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)得以呈現(xiàn)， 但總成本沒(méi)有增加。為了更好地理解伺服系統(tǒng)在包裝的各個(gè)領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)，首先需要對(duì) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有一個(gè)基本的了解，尤其是伺服電機(jī)和伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。一個(gè)基本的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括

2、：運(yùn)動(dòng)控制器： 運(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的大腦， 向伺服電機(jī)發(fā)出 執(zhí)行指示。伺服電機(jī)： 伺服電機(jī)是動(dòng)作控制系統(tǒng)的肌肉， 將伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的電 能轉(zhuǎn)化為使機(jī)器動(dòng)作的機(jī)械能。伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（亦稱為增強(qiáng)器）： 伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或增強(qiáng)器，接收動(dòng) 作控制器發(fā)出的低級(jí)指令，然而大幅度地增強(qiáng)這些指令，向伺服電機(jī)提 供必要的能量。反饋設(shè)施： 反饋設(shè)施，如編碼器或解算器，將實(shí)時(shí)方位和速度信息 反饋給動(dòng)作控制器。伺服電機(jī)伺服電機(jī)以其快速加速和減速的能力而聞名遐邇，通過(guò)高峰值扭矩 和高扭矩 -慣矩比實(shí)現(xiàn)這種能力，可以為功率需求從幾百瓦到 75kW 以上 的應(yīng)用提供服務(wù)。伺服電機(jī)在機(jī)床和自動(dòng)機(jī)器等傳統(tǒng)的動(dòng)作控制應(yīng)用中表現(xiàn)出卓

3、越的動(dòng)力反應(yīng)和精確度。 伺服電機(jī)可以按照以下四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)： 磁體類(lèi)型（感應(yīng)或永磁），機(jī)械技術(shù)（旋轉(zhuǎn)或線性），電氣技術(shù)（交流 無(wú)刷或直流電刷）以及結(jié)構(gòu)（殼體式或無(wú)框架式）。感應(yīng)或異步伺服電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速之差產(chǎn)生扭 矩。差值（稱為轉(zhuǎn)差）越大，扭矩越高。在伺服電機(jī)的定子上施予交流 電，隨后在轉(zhuǎn)子感應(yīng)產(chǎn)生出一個(gè)磁場(chǎng)，這就是此類(lèi)電機(jī)被稱為感應(yīng)電機(jī) 的原因。異步伺服電機(jī)多數(shù)應(yīng)用于高功率的工況中。永磁磁鐵或同步伺服電機(jī)的定子與感應(yīng)電機(jī)相似。但是與感應(yīng)伺服 電機(jī)不同的是，這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝配著永磁磁鐵。轉(zhuǎn)子和定子的磁場(chǎng) 同時(shí)、同步、以相同的速度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)上施加負(fù)荷時(shí)，磁極間出現(xiàn)位 置調(diào)準(zhǔn)的微

4、差，由此產(chǎn)生扭矩。微差越大，扭矩越高。伺服電機(jī)通常產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，然后通過(guò)機(jī)械元件轉(zhuǎn)化為線性動(dòng)作。 然而線性伺服電機(jī)可以直接產(chǎn)生線性動(dòng)作，無(wú)需附加的機(jī)械元件。線性 伺服電機(jī)既可以是感應(yīng)電機(jī)，也可以是永磁磁鐵電機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)在于，線 性伺服電機(jī)能夠比旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)獲得更高的加速 /減速比、電位精度和速 度。但是旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)通過(guò)齒輪箱和類(lèi)似的傳動(dòng)系元件以速度換取扭矩 來(lái)獲得扭矩的成倍增加。而線性伺服電機(jī)必須直接產(chǎn)生應(yīng)用所需的全部 力，因此它們常常僅限于使用在小型機(jī)器上。交流無(wú)刷伺服電機(jī)，現(xiàn)代定位應(yīng)用的主要電機(jī)，實(shí)際上是前文提到 的永磁伺服電機(jī)，只是與直流電刷伺服電機(jī)（也是一種永磁磁鐵同步電 機(jī)）對(duì)照而言，

5、后者占據(jù)了二十年前伺服電機(jī)的主導(dǎo)地位。直流電刷伺 服電機(jī)的定子上裝有磁鐵，直流電通過(guò)碳刷組件作用在轉(zhuǎn)子上，電機(jī)旋 轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)電刷施加到轉(zhuǎn)子的電壓極性被一種叫做換向器的機(jī)械組件不 斷地逆轉(zhuǎn)。如果沒(méi)有這個(gè)機(jī)械換向器，電機(jī)將鎖定在某一個(gè)位置上，停 止了運(yùn)轉(zhuǎn)。由于換向是通過(guò)機(jī)械手段和電刷的滑動(dòng)接觸向轉(zhuǎn)子施加的電 能實(shí)現(xiàn)的，因此經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)械磨損和維修問(wèn)題。交流無(wú)刷伺服電機(jī)不需 要電刷，換向在伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之內(nèi)電子完成，達(dá)到了零磨損和零維修。最后，殼體式與無(wú)框架式結(jié)構(gòu)的伺服電機(jī)代表了伺服電機(jī)包裝的一 些近期發(fā)展。傳統(tǒng)的伺服電機(jī)是殼體式結(jié)構(gòu)，作為一個(gè)單獨(dú)的部件連接 到機(jī)器上。機(jī)械能通過(guò)電機(jī)的軸傳遞給機(jī)器，電機(jī)

6、的軸以各種方式與機(jī) 器連接，如聯(lián)軸節(jié)、皮帶輪或齒輪箱?，F(xiàn)在，要求苛刻的應(yīng)用使用無(wú)框 架式或“成套”電機(jī)，即電機(jī)與機(jī)器的結(jié)構(gòu)合為一體。設(shè)備制造商如今必須在機(jī)器上安裝轉(zhuǎn)子、 定子和反饋元件。 這種電機(jī)代表了動(dòng)力的頂峰， 比殼體式伺服電機(jī)占用的空間少了許多。伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與伺服電機(jī)同樣，伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也具有一些明顯的特征。例如，密 閉式結(jié)構(gòu)的伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一個(gè)獨(dú)立的單元直接安裝在機(jī)器上，或者 開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需要安裝在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)。伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)既可 以分布配電，也可以獨(dú)立供電；既可以通過(guò)儲(chǔ)存（電容器）、燃燒（泄 流電阻器）處理再生能，也可以將再生能送回輸電線中。每種應(yīng)用都是獨(dú)一無(wú)二的，為了獲得最

7、佳效果，動(dòng)作系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員 應(yīng)當(dāng)為每種應(yīng)用設(shè)計(jì)匹配的伺服系統(tǒng)。對(duì)于每分鐘做數(shù)百次沖程的樞軸 來(lái)說(shuō)，合理的做法是將再生能儲(chǔ)存在電容器中， 為下一次加速進(jìn)行儲(chǔ)備 對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)、每分鐘的循環(huán)次數(shù)少的樞軸來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)在電阻器中燒去 多余的能量。做諸如拉伸等動(dòng)作的軸不斷地再生能量，那么最佳選擇是 將這些能量送回供電線。 如果一臺(tái)機(jī)器中有多個(gè)軸從一個(gè)中央位置控制， 最合理的設(shè)計(jì)是分布配電系統(tǒng)。當(dāng)某些軸加速，另一些軸減速，則從電 源線抽取的能量減少，同時(shí)降低（或消除）了處理再生能的附加電容器 或泄流電阻器的需要。為某種應(yīng)用選擇正確的伺服系統(tǒng)可以降低成本， 改進(jìn)性能，提高堅(jiān)固性，減少停工時(shí)間。伺服系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)伺服系

8、統(tǒng)的模件性和緊湊性為設(shè)備制造商和最終用戶帶來(lái)了更大的 機(jī)器靈活性，縮短了準(zhǔn)備時(shí)間，減少了相應(yīng)的浪費(fèi)，并且通過(guò)消除機(jī)械 元件的缺陷改進(jìn)了質(zhì)量。伺服系統(tǒng)的長(zhǎng)周期、可靠和可重復(fù)的特性可以 提高許多動(dòng)作控制應(yīng)用的處理量和處理速度。總體而言，開(kāi)車(chē)和切換時(shí) 的浪費(fèi)減少，機(jī)械元件少使磨損降低所節(jié)省下來(lái)的費(fèi)用大大地抵消了伺 服系統(tǒng)的購(gòu)買(mǎi)成本。除了生產(chǎn)率和精確度等令人動(dòng)心的優(yōu)點(diǎn)之外， 伺服系統(tǒng)的操作性好， 同時(shí)可以提供多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，如 Ethernet TCP/IP， Profibus-DP, DeviceNet, INTERBUS-S , ControlNet 和 Rexroth 標(biāo)準(zhǔn) SERCOS

9、。SERCOS是唯一的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)調(diào)、同步化數(shù)字動(dòng)作控制， 是動(dòng)作控制系統(tǒng)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)字界面。這種通訊標(biāo)準(zhǔn)（ IEC 認(rèn)可為 IEC-61491）允許多個(gè)伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)一根共用的抗噪光纖電纜連接到一個(gè)動(dòng)作控制器上。一旦安裝就位， SERCOS 網(wǎng)絡(luò)連接形成一個(gè)回路， 避免了為每一個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單獨(dú)硬接線到動(dòng)作控制器。 SERCOS 標(biāo)準(zhǔn)真正 與眾不同之處在于，它通過(guò)一個(gè)保證毫微秒同步的協(xié)議協(xié)調(diào)自動(dòng)化設(shè)備 上多個(gè)樞軸的動(dòng)作。它同時(shí)提供控制系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間變量交換的標(biāo) 準(zhǔn)化格式。諸如 SERCOS 等網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)有助于提高通訊速度，增強(qiáng)抗噪能力，擴(kuò) 大開(kāi)放性，使硬件標(biāo)準(zhǔn)化以及使用更少的連接電纜和電線，從而進(jìn)一步 簡(jiǎn)化了元部件的更新和系統(tǒng)升級(jí)。伺服系