伺服系統(tǒng)報(bào)告

1、1、 相關(guān)概念伺服系統(tǒng)（servomechanism）又稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)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)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它的主要任務(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)裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。在機(jī)器人中，伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)器采用速度環(huán)，位置環(huán)，電流環(huán)三環(huán)閉環(huán)電路，內(nèi)部還設(shè)有錯(cuò)誤檢出和保護(hù)電路。驅(qū)動(dòng)器通過通信連接器，控制連接器，編碼連接器跟外部輸入信號(hào)和輸出信號(hào)相連。通信連接器主要用于跟電腦或控制器通信?？刂七B接器用于跟伺服控制器聯(lián)接，驅(qū)動(dòng)器所需的輸

2、入信號(hào)、輸出信號(hào)、控制信號(hào)和一些方式選擇信號(hào)都通過該控制連接器傳輸，它是驅(qū)動(dòng)器最為關(guān)鍵的連接器。編碼連接器跟電機(jī)編碼器連接，用于接收編碼器閉環(huán)反饋信號(hào)，即速度反饋和換向信號(hào)。伺服電機(jī)主要用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)越多，機(jī)器人的柔性和精準(zhǔn)度越高，所需要使用的伺服電機(jī)的數(shù)量就越多。機(jī)器人對(duì)伺服電機(jī)的要求非常高，必須滿足快速響應(yīng)、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大、調(diào)速范圍寬，要適應(yīng)機(jī)器人的形體做到體積小、重量輕，還必須經(jīng)受頻繁的正反向和加減速運(yùn)行等苛刻的條件，做到高可靠性和穩(wěn)定性。伺服電機(jī)分為直流、交流和步進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人用的較多的是交流。機(jī)器人用伺服電機(jī)2、 伺服系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀2.1視覺伺服系統(tǒng)隨著機(jī)器人

3、技術(shù)的迅猛發(fā)展,機(jī)器人承擔(dān)的任務(wù)更加復(fù)雜多樣,傳統(tǒng)的檢測手段往往面臨著檢測范圍的局限性和檢測手段的單一性.視覺伺服控制利用視覺信息作為反饋，對(duì)環(huán)境進(jìn)行非接觸式的測量,具有更大的信息量，提高了機(jī)器人系統(tǒng)的靈活性和精確性,在機(jī)器人控制中具有不可替代的作用。視覺系統(tǒng)由圖像獲取和視覺處理兩部分組成,圖像的獲取是利用相機(jī)模型將三維空間投影到二維圖像空間的過程,而視覺處理則是利用獲取的圖像信息得到視覺反饋的過程?；镜南鄼C(jī)模型主要包括針孔模型和球面投影模型,統(tǒng)一化模型是對(duì)球面模型的推廣,將各種相機(jī)的圖像映射到歸一化的球面上。視覺伺服中的視覺反饋主要有基于位置、圖像特征和多視圖幾何的方法。其中,基于位置的方

4、法將視覺系統(tǒng)動(dòng)態(tài)隱含在了目標(biāo)識(shí)別和定位中，從而簡化了控制器的設(shè)計(jì)，但是一般需要已知目標(biāo)物體的模型，且對(duì)圖像噪聲和相機(jī)標(biāo)定誤差較為敏感。基于圖像特征的視覺反饋構(gòu)造方法，其中基于特征點(diǎn)的方法在以往的視覺伺服中應(yīng)用較為廣泛，研究較為成熟，但是容易受到圖像噪聲和物體遮擋的影響，并且現(xiàn)有的特征提取方法在發(fā)生尺度和旋轉(zhuǎn)變化時(shí)的重復(fù)性和精度都不是太好，在實(shí)際應(yīng)用中存在較大的問題。因此，學(xué)者們提出了基于全局圖像特征的視覺反饋方法，利用更多的圖像信息對(duì)任務(wù)進(jìn)行描述，從而增強(qiáng)視覺系統(tǒng)的魯棒性，但是模型較為復(fù)雜，控制器的設(shè)計(jì)較為困難，且可能陷入局部極小點(diǎn)。目前針對(duì)這一類系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)的研究還比較少,一般利用局部線

5、性化模型進(jìn)行控制,只能保證局部的穩(wěn)定性。多視圖幾何描述了物體多幅圖像之間的關(guān)系，間接反映了相機(jī)之間的幾何關(guān)系。相比于基于圖像特征的方法，多視圖幾何與笛卡爾空間的關(guān)系較為直接，簡化了控制器的設(shè)計(jì)。常用的多視圖幾何包括單應(yīng)性、對(duì)極幾何以及三焦張量。2.2伺服系統(tǒng)控制技術(shù)現(xiàn)代的機(jī)器人伺服系統(tǒng)多采用交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而且正在逐漸向數(shù)字化方向轉(zhuǎn)變。數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)五孔不入，如信號(hào)處理技術(shù)中的數(shù)字濾波、數(shù)字控制器，把功能更加強(qiáng)大的控制器芯片已經(jīng)各種智能處理模塊應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人交流伺服系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)更好的控制性能。最近幾十年，由于微電子技術(shù)的進(jìn)步，各種方便用戶開發(fā)的微控制器與數(shù)字信號(hào)處理器件大量涌現(xiàn)市場，

6、為各種先進(jìn)的智能控制算法在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可能。如今，各種新型的伺服控制策略大量涌現(xiàn)，大有與傳統(tǒng)控制策略一較高低的趨勢下面簡單介紹幾種：1）矢量控制 矢量控制技術(shù)的提出，為交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的快速進(jìn)步提供了理論支持。矢量控制技術(shù)的主要原理為：以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場作為參考系，將電動(dòng)機(jī)定子矢量電流經(jīng)過兩次坐標(biāo)變換分解為直軸電流和交軸電流分量，且使兩電流分量相互正交，同時(shí)對(duì)交直軸電流分量的幅值和相位進(jìn)行控制，可以獲得像直流電機(jī)一樣優(yōu)越、甚至更好的動(dòng)態(tài)控制性能。2）直接轉(zhuǎn)矩控制 德國專家提出“直接自控制”的高性能交流電動(dòng)機(jī)控制策略，此種控制策略不需要像矢量控制那樣對(duì)電動(dòng)機(jī)定子矢量電流進(jìn)行大量而復(fù)雜的解耦

7、變換，再通過控制解耦獲得的交流電流分量來間接的控制電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，它采用定子磁場定向的控制方式，對(duì)交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制。此方式只受電動(dòng)機(jī)定子繞組阻值的影響，對(duì)其他參數(shù)的變動(dòng)穩(wěn)態(tài)性好，解決了矢量控制受電動(dòng)機(jī)本體參數(shù)影響大的缺點(diǎn)。開始有部分專家學(xué)者通過深入研究把直接轉(zhuǎn)矩控制理論引入到交流同步電動(dòng)機(jī)當(dāng)中，完成了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在交流同步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的最大突破。3）智能控制 智能控制理論是最近幾十年的新興學(xué)科，它的迅速發(fā)展為交流永磁伺服控制技術(shù)的進(jìn)步注入了新鮮的血液。智能控制技術(shù)由于其自身的理論特點(diǎn)，在非線性控制領(lǐng)域中比經(jīng)典控制理論更具優(yōu)勢3、 伺服系統(tǒng)市場現(xiàn)狀3.1行業(yè)規(guī)模由于我國在

8、伺服系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展較晚難以與國外品牌競爭，直到2000年，中國加入WTO，中國企業(yè)在吸取國外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的前提下，開始自主研發(fā)伺服系統(tǒng)。至此，中國的伺服系統(tǒng)的市場份額有所提高。到了2011年市場容量60多億元，比上年增長22.0%。2012年，由于國際經(jīng)濟(jì)的影響以及國內(nèi)供求問題導(dǎo)致伺服市場下滑14.9%。直到2013年下半年，伺服市場才開始逐步回暖，上升幅度在5%左右?，F(xiàn)在中國的伺服系統(tǒng)市場仍由國外企業(yè)占據(jù)大半壁江山。2011年我國伺服電機(jī)市場容量23多億元，比上年增長10.2%，伺服市場增長恢復(fù)穩(wěn)定，這得益于國家相關(guān)的經(jīng)濟(jì)政策。2012年伺服電機(jī)市場受國際經(jīng)濟(jì)疲軟和國內(nèi)需求不足、產(chǎn)能過剩影

9、響，市場下滑5.56%，近6年來首次出現(xiàn)下滑，且下滑幅度較大。2013年中國伺服電機(jī)市場上半年仍緩慢下滑，下半年觸底回溫，全年漲幅約8%。分析當(dāng)前國內(nèi)用戶的購買因素，占前三位的是穩(wěn)定可靠性、價(jià)格和服務(wù)。這也說明目前國內(nèi)伺服電機(jī)市場還處在較低級(jí)的階段，對(duì)性能和功能的充分利用沒有擺在重要位置。從長遠(yuǎn)來看，伺服廠商的關(guān)鍵成功因素應(yīng)該是產(chǎn)品的性價(jià)比、可靠性、技術(shù)含量、以及市場份額和品牌影響力。一批國內(nèi)企業(yè)也在激烈的市場競爭中逐漸成長起來。伺服電機(jī)市場競爭激烈，品牌眾多，日資和歐美品牌市場份額約75%。其中安川、三菱、松下等日系品牌性能低于歐系，但可靠性和穩(wěn)定性強(qiáng)，性價(jià)比高，最適合國內(nèi)客戶需求，約占50

10、%的份額；西門子、倫茨、博世力士樂等歐系品牌過載能力、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、驅(qū)動(dòng)器開放性好，但價(jià)格昂貴，約有30%的份額；臺(tái)系品牌使用簡單，性能接近日系，在中低端發(fā)展較快。國產(chǎn)伺服電機(jī)技術(shù)落后，集中在低端。國產(chǎn)伺服電機(jī)起步較晚， 2000 年以后開始研發(fā)，在功能、性能和工藝方面和國外產(chǎn)品仍有較大的差距，尤其是沒有完全掌握自適應(yīng)機(jī)械共振抑制技術(shù)、自適應(yīng)低頻震動(dòng)技術(shù)和慣量動(dòng)態(tài)前饋技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。國產(chǎn)伺服電機(jī)以小功率的低端產(chǎn)品為主，以性價(jià)比的優(yōu)勢滿足中小型和經(jīng)濟(jì)型用戶的需求，高精度伺服電機(jī)還在技術(shù)攻關(guān)階段。分析當(dāng)前國內(nèi)用戶的購買因素，占前三位的是穩(wěn)定可靠性、價(jià)格和服務(wù)。這也說明目前國內(nèi)伺服電機(jī)市場還處在較低級(jí)的

11、階段，對(duì)性能和功能的充分利用沒有擺在重要位置。從長遠(yuǎn)來看，伺服廠商的關(guān)鍵成功因素應(yīng)該是產(chǎn)品的性價(jià)比、可靠性、技術(shù)含量、以及市場份額和品牌影響力。展望未來，隨著伺服價(jià)格的不斷下降、伺服市場接受度不斷上升，中低端市場有非常大的增長空間，因此本土廠商仍將有很大作為。隨著需求的擴(kuò)大和價(jià)格下行，性價(jià)比和滿足定制化需求越來越重要，高端品牌的市場份額逐漸下降，中低端市場快速增長，國產(chǎn)伺服電機(jī)面臨比較好的發(fā)展機(jī)遇。 國內(nèi)近年來也開展了大功率交流永磁同步電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部分基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化，且具備了一點(diǎn)的生產(chǎn)能力，但其動(dòng)態(tài)性能、開放性和可靠性還需要更多的實(shí)際機(jī)器人項(xiàng)目應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。國產(chǎn)品牌包括華中數(shù)控、蘭州電機(jī)、和時(shí)

12、利電機(jī)、廣州數(shù)控、南京蘇強(qiáng)電機(jī)、深圳雷賽電機(jī)等。匯川技術(shù)、埃斯頓等國內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制廠商尚處于小批量試用階段。但伺服電機(jī)需要在高動(dòng)態(tài)的環(huán)境中經(jīng)過長期大量的驗(yàn)證，穩(wěn)定性沒有經(jīng)過驗(yàn)證的國產(chǎn)伺服電機(jī)難以獲得客戶認(rèn)可。3.2國內(nèi)伺服系統(tǒng)標(biāo)桿企業(yè)北超伺服簡介北超伺服專注于制造電機(jī)與驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)與控制結(jié)合的機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)，是國內(nèi)最大的主軸電機(jī)生產(chǎn)商之一。公司主要產(chǎn)品包括伺服電機(jī)和控制器等，2014 年收入占比26%和60%?？蛻糁饕性诟叨搜b備制造和新能源汽車領(lǐng)域，2014 年收入占比分別為65%和20%，此外，工業(yè)機(jī)器人也是公司未來發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。2014 年公司收入為1.31 億元，同比增長39.8%，

13、凈利潤2752.95 萬元，同比增長144.1%，毛利率和凈利率維持在30%以上，且有向好的趨勢，得益于行業(yè)較高的技術(shù)水平。北超伺服分產(chǎn)品收入 北超伺服近年分產(chǎn)品毛利率北超伺服近年毛利率和凈利率3.3伺服系統(tǒng)行業(yè)壁壘分析：技術(shù)、客戶認(rèn)可和資金伺服行業(yè)屬于技術(shù)密集型行業(yè)。伺服系統(tǒng)整合了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括自動(dòng)化控制技術(shù)、微電子技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)等，而且隨著下游行業(yè)的發(fā)展，需求者對(duì)伺服系統(tǒng)的要求也越來越高，伺服企業(yè)必須具備一定的技術(shù)優(yōu)勢才能在該行業(yè)生存下去。客戶特別看重產(chǎn)品穩(wěn)定性和售后服務(wù)。伺服系統(tǒng)直接影響整個(gè)工業(yè)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此對(duì)其穩(wěn)定性的要求非常高，客戶通常會(huì)對(duì)伺服生產(chǎn)廠家進(jìn)

14、行長期考察，才會(huì)確定合作關(guān)系。然而，對(duì)于新進(jìn)入者而言，獲得客戶認(rèn)可的難度很高。除了產(chǎn)品穩(wěn)定性之外，售后服務(wù)也是客戶非?？粗氐囊稽c(diǎn)，所以良好的售后服務(wù)也是伺服行業(yè)內(nèi)的企業(yè)必須去關(guān)注的。伺服系統(tǒng)的生產(chǎn)需要大規(guī)模的資金。在生產(chǎn)伺服系統(tǒng)的前期，企業(yè)需要投入大量資金，而且設(shè)備和生產(chǎn)工藝的磨合耗時(shí)較長，通常需要好幾年才能形成生產(chǎn)能力，再加上贏得客戶認(rèn)可也需要耗費(fèi)一定的時(shí)間，企業(yè)必須要有足夠的資金來支撐項(xiàng)目的運(yùn)轉(zhuǎn)。4、 伺服系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣，用戶對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的要求越來越高。總的來說，伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個(gè)方面：1）集成化 目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來越多地

15、采用開關(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，這種器件將輸入隔離、能耗制動(dòng)、過溫、過壓、過流保護(hù)及故障診斷等功能全部集成于一個(gè)不大的模塊之中。同一個(gè)控制單元，只要通過軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，就可以改變其性能，既可以使用電機(jī)本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以外接外部傳感器如位置、速度、力矩傳感器等，構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。高度的集成化顯著地縮小了整個(gè)控制系統(tǒng)的體積。2) 智能化 目前伺服內(nèi)部控制核心大都采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)（DSP），從而實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)數(shù)字化是其實(shí)現(xiàn)智能化的前提條件。伺服系統(tǒng)的智能化表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：系統(tǒng)的所有運(yùn)行參數(shù)都可以通過人機(jī)對(duì)話的方

16、式由軟件來設(shè)置；其次它們都具有故障自診斷與分析功能；以及參數(shù)自整定的功能等。眾所周知，閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，也是需要耗費(fèi)較多時(shí)間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運(yùn)行，自動(dòng)將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)化。3) 網(wǎng)絡(luò)化 伺服系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是綜合自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，是控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置之間實(shí)行雙向、串形、多結(jié)點(diǎn)的數(shù)字通信技術(shù)?，F(xiàn)場總線現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在伺服系統(tǒng)之間、伺服系統(tǒng)和其它外圍設(shè)備如人機(jī)界面HMI、可編程控制器PLC等信息交互傳輸?，F(xiàn)場總線有如下

17、幾個(gè)類型FF；ProfiBus、WorldFIP、ControlNet/DeviveNet、CAN等。這些通訊協(xié)議都為多軸實(shí)時(shí)同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驅(qū)動(dòng)器集成進(jìn)去，從而使伺服系統(tǒng)達(dá)到了分布、開放、互聯(lián)以及高可靠性。4）簡易化 這里所說的“簡”不是簡單而是精簡，是根據(jù)用戶情況，將用戶使用的伺服功能予以強(qiáng)化，使之專而精，而將不使用的一些功能予以精簡，從而降低了伺服系統(tǒng)成本，為客戶創(chuàng)造更多的收益，且通過精簡一些元器件，減少了資源的浪費(fèi)從而利于環(huán)保。這里所說的“易”是指，伺服系統(tǒng)的軟件編程及操作是從用戶角度出發(fā)開發(fā)設(shè)計(jì)，力求簡單易行，使用戶調(diào)試時(shí)只需簡單。五、機(jī)器人伺服系統(tǒng)未來發(fā)展動(dòng)力未來幾年，中國工業(yè)機(jī)器人市場將大幅度增長，而服務(wù)型機(jī)器人在世界各地各掀起熱浪，掃地機(jī)器人，擦玻璃機(jī)器市場如火如荼，