摘要：伺服电机，准确的说：伺服系统是一类控制发动机转速，转角以及转速，然后将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求的一个系统，它的核心是控制器，控制对象为伺服电机，以机械运动为驱动设备，执行机构是电力电子功率表变换装置，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。本文主要对伺服电机控制技术的发展应用进行探讨。
关键词：伺服电机；自动控制；应用
在工业4.0的新时期，人类对工业自动化的需求不断上升。在工业生产中所需要进行的控制、组装、拼合、检测、校验、调度、优化和决策等各个环节，均有提高产能、降低损耗、确保安全和保证质量的需要。工业自动化正是为实现上述需求应运而生的一类综合性高新技术。在工业革命3.0时代，以电子计算机技术应用为代表的高新技术极大推动了工业自动化的进程，伺服技术也承接着工业革命3.0的浪潮飞速发展，在机械、电器、电子、石化、冶金、电力、交通、印刷、汽车、食品等行业起到巨大的促进作用。
与此同时，随着应用范围的不断扩大，伺服技术也得到长足的发展。狭义的伺服技术仅限在电力电子技术、电机制造技术、大规模集成电路和微处理技术等传统工业生产领域，而广义的伺服技术应用于传统与新型的各个行业。
1.伺服电机
当前在工业控制领域广泛使用的伺服电机是交流伺服电机，其主要包括转子和定子两个组成部分。其中，转子部分的结构形式包括鼠笼形转子和非磁性杯行转子两种形式。而常用的定子结构则是与旋转变压器的定子结构类似，通过在定子铁心中设置相互垂直的两相绕组构成。根据转子结构的不同，可以将交流伺服电机分为两种形式。其中，鼠笼转子交流伺服电机由转子铁心、轴和转子绕组构成；而非磁性杯形转子交流伺服电机的内定子则由环形的钢片叠放而成。
从当前市场应用情况来看，通常广泛使用鼠笼形转子伺服电机。这主要是因为非磁性杯形转子工作过程中惯量小，轴承的摩擦阻转矩较小，而且转子之间不存在齿槽，使得电机工作过程中没有齿槽啮合的现象，从而使得其转矩和输出功率都较小。另外，杯形转子伺服电机的制造工艺复杂，可靠性相对较低，主要用于十分平稳的场合。因此，本文以广泛应用的鼠笼形转子伺服电机为对象进行讨论。
2.伺服控制系统
2.1开环伺服系统
开环伺服系统不设置检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程，采用步进电机作为驱动器件，精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分的传动精度，难以达到高精度要求。步进电动机的转速不可能很高，运动部件的速度受到限制。但步进电机结构简单、可靠性高、成本低，且其控制电路也简单。所以开环控制系统多用于精度和速度要求不高的经济型设备。
2.2半闭环伺服系统
半闭环伺服系统采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，其系统的反馈信号取自电机轴或丝杆上，进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响，安装调试比较方便。定位精度与机械传动装置的精度有关，而数控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿等项功能，在传动装置精度不太高的情况下，可以利用补偿功能将加工精度提高到满足的程度。故半闭环伺服系统在数控机床中应用很广。
2.3全闭环伺服系统
闭环伺服系统主要由比较环节、伺服驱动放大器，进给伺服电动机、机械传动装置和直线位移测量装置组成。对机床运动部件的移动量具有检测与反馈修正功能，采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。系统的直线位移检测器安装在移动部件上，其精度主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度，其产生的加工精度比较高。但机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等各种非线性因素，对系统稳定性有很大影响，使闭环进给伺服系统安装调试比较复杂。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3.伺服电机控制性能优越
3.1低频特性好
步进电机易出现低速时低频振动现象。交流伺服电机不会出现此现象，运转非常平稳，交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能，可检测出机械的共振点，便于系统调整。
3.2速度响应快
步进电机从静止加速到额定转速需要200～400ms。交流伺服系统的速度响应较快，有的交流伺服电机，从静止加速到其额定转速仅需几毫秒。
3.3控制精度高
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。例如松下全数字式交流伺服电机，对于带17位编码器的电机而言，其脉冲当量为9.89秒，是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。
3.4过载能力强
步进电机不具有过载能力，为了克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩，选型时需要选取额定转矩比负载转矩大很多的电机，造成了力矩浪费的现象。而交流伺服电机具有较强的过载能力，例如松下交流伺服系统中的伺服电机的最大转矩达到额定转矩的三倍，可用于克服启动瞬间的惯性力矩。
3.5矩频特性佳
步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时转矩会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600rpm。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速以内，都能输出额定转矩。
4.伺服电机的发展趋势
随着中国从制造业大国转变为制造业强国的进程和数字化交流伺服系统的性能价格比逐渐提高的基础上，交流伺服系统作为控制电机类高档精密部件，它在行业中的市场也是在稳步上升。那么作为数控机床最重要的组成部分，同时伺服系统也一直是影响系统加工性能的重要指标之一。
近年来围绕着伺服系统动态与静态特性的提高，也是发展并且出现了多种伺服驱动技术。决定交流伺服系统性能好坏的关键性因素依然是伺服控制技术，但由于交流伺服系统本身的有着极其先进的控制原理以及低成本，免维护的特性，更何况其控制特性也在全面的超越直流伺服系统，势必在今后的发展过程中将大部分甚至是全部代替直流伺服系统，按照当前的运转模式来分析，其今后比向高效率化，告诉，高精度化以及高性能化的方向发展。
不仅如此，随着目前智能化的大幅度推广以及网络化模块化的盛行，而现代交流伺服驱动设备也同时具备着参数记忆的功能，以及自身故障的诊断和分析的功能，有的伺服电机甚至还具备了识别参数的性能，还能在发现振动的时候自动对其进行抑制，自动将编码器进行测定并归零，这些都是伺服电机在智能化法相的发展趋势。而网络化的重点发展方向就是如何适应高性能运动控制对数据传输的实时性、同步性以及可靠性的要求。高档数控系统的成功开发，也预示着网络化数字伺服开发成为当下的当务之急，还有伺服电机驱动器、电源、再生制动、以及电机与电机之间的通讯都在不断的向模块化方向发展。
结语
新世纪新腾飞，新技术必定带来高端的产品。在各项科学技术飞速发展的今天，并且伴随这制造业的不断升级和制造技术的不断改进不断发展，相信在材料技术以及计算机技术、微电子技术以及控制理论技术和电机制造工艺水平的逐步提高与发展，必将为加工业和制造业的核心技术之一的伺服电机驱动技术迎来一个更美好的明天，迎来一个大好的发展时机。
参考文献：
[1] 凌军.伺服电机在自动控制方面的应用[J].科技与企业，2013（23）.
[2] 张文捷，侯聪聪.PLC在伺服电机位置控制中的应用[J].技术与市场，2012（12）.
论文作者:宋鑫
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/6/7
标签：转子论文; 伺服电机论文; 伺服系统论文; 转矩论文; 精度论文; 闭环论文; 转速论文; 《基层建设》2018年第10期论文;