伺服系统的发展和优点

伺服系统的发展和优点

二十世纪80年代早期，当机械制造公司为汽车制造引擎和变速箱时，每分钟的停工成本逾千美元，制造商需要一种解决办法保护开工率，并且一旦出现故障，应当尽快地恢复生产。满足最长开工期的需求最终成为了伺服系统得以应用的催化剂。

长期以来，伺服动作控制作为昂贵的元件集合，服务于要求精度和过程效率的高性能应用。现如今，批量生产和技术革新使成本降低，伺服系统频繁地出现在低性能应用中，在这里伺服系统的优点得以呈现，但总成本没有增加。

为了更好地理解伺服系统在包装的各个领域中的优势，首先需要对运动控制系统有一个基本的了解，尤其是伺服电机和伺服传动机构。

一个基本的运动控制系统包括：

运动控制器：运动控制器是运动控制系统的大脑，向伺服电机发出执行指示。

伺服电机：伺服电机是动作控制系统的肌肉，将伺服传动机构的电能转化为使机器动作的机械能。

伺服传动机构（亦称为增强器）：伺服传动机构或增强器，接收动作控制器发出的低级指令，然而大幅度地增强这些指令，向伺服电机提供必要的能量。

反馈设施：反馈设施，如编码器或解算器，将实时方位和速度信息反馈给动作控制器。

伺服电机

伺服电机以其快速加速和减速的能力而闻名遐迩，通过高峰值扭矩和高扭矩-惯矩比实现这种能力，可以为功率需求从几百瓦到75kW以上的应用提供服务。伺服电机在机床和自动机器等传统的动作控制应用中

表现出卓越的动力反应和精确度。伺服电机可以按照以下四个标准分类：磁体类型（感应或永磁），机械技术（旋转或线性），电气技术（交流无刷或直流电刷）以及结构（壳体式或无框架式）。

感应或异步伺服电机通过转子磁场和定子磁场的转速之差产生扭矩。差值（称为转差）越大，扭矩越高。在伺服电机的定子上施予交流电，随后在转子感应产生出一个磁场，这就是此类电机被称为感应电机的原因。异步伺服电机多数应用于高功率的工况中。

永磁磁铁或同步伺服电机的定子与感应电机相似。但是与感应伺服电机不同的是，这种电机的转子上装配着永磁磁铁。转子和定子的磁场同时、同步、以相同的速度旋转。当电机上施加负荷时，磁极间出现位置调准的微差，由此产生扭矩。微差越大，扭矩越高。

伺服电机通常产生旋转动作，然后通过机械元件转化为线性动作。然而线性伺服电机可以直接产生线性动作，无需附加的机械元件。线性伺服电机既可以是感应电机，也可以是永磁磁铁电机。其优点在于，线性伺服电机能够比旋转伺服电机获得更高的加速/减速比、电位精度和速度。但是旋转伺服电机通过齿轮箱和类似的传动系元件以速度换取扭矩来获得扭矩的成倍增加。而线性伺服电机必须直接产生应用所需的全部力，因此它们常常仅限于使用在小型机器上。

交流无刷伺服电机，现代定位应用的主要电机，实际上是前文提到的永磁伺服电机，只是与直流电刷伺服电机（也是一种永磁磁铁同步电机）对照而言，后者占据了二十年前伺服电机的主导地位。直流电刷伺服电机的定子上装有磁铁，直流电通过碳刷组件作用在转子上，电机旋转时，通过电刷施加到转子的电压极性被一种叫做换向器的机械组件不断地逆转。如果没有这个机械换向器，电机将锁定在某一个位置上，停止了运转。由于换向是通过机械手段和电刷的滑动接触向转子施加的电能实现的，因此经常出现机械磨损和维修问题。交流无刷伺服电机不需要电刷，换向在伺服传动机构之内电子完成，达到了零磨损和零维修。

最后，壳体式与无框架式结构的伺服电机代表了伺服电机包装的一些近期发展。传统的伺服电机是壳体式结构，作为一个单独的部件连接到机器上。机械能通过电机的轴传递给机器，电机的轴以各种方式与机器连接，如联轴节、皮带轮或齿轮箱。现在，要求苛刻的应用使用无框架式或“成套”电机，即电机与机器的结构合为一体。设备制造商如今

必须在机器上安装转子、定子和反馈元件。这种电机代表了动力的顶峰，比壳体式伺服电机占用的空间少了许多。

伺服传动机构

与伺服电机同样，伺服传动机构也具有一些明显的特征。例如，密闭式结构的伺服传动机构作为一个独立的单元直接安装在机器上，或者开放式结构的伺服传动机构需要安装在一个机柜内。伺服传动机构既可以分布配电，也可以独立供电；既可以通过储存（电容器）、燃烧（泄流电阻器）处理再生能，也可以将再生能送回输电线中。

每种应用都是独一无二的，为了获得最佳效果，动作系统设计人员应当为每种应用设计匹配的伺服系统。对于每分钟做数百次冲程的枢轴来说，合理的做法是将再生能储存在电容器中，为下一次加速进行储备。对于高速运动、每分钟的循环次数少的枢轴来说，应当在电阻器中烧去多余的能量。做诸如拉伸等动作的轴不断地再生能量，那么最佳选择是将这些能量送回供电线。如果一台机器中有多个轴从一个中央位置控制，最合理的设计是分布配电系统。当某些轴加速，另一些轴减速，则从电源线抽取的能量减少，同时降低（或消除）了处理再生能的附加电容器或泄流电阻器的需要。为某种应用选择正确的伺服系统可以降低成本，改进性能，提高坚固性，减少停工时间。

伺服系统的优点

伺服系统的模件性和紧凑性为设备制造商和最终用户带来了更大的机器灵活性，缩短了准备时间，减少了相应的浪费，并且通过消除机械元件的缺陷改进了质量。伺服系统的长周期、可靠和可重复的特性可以提高许多动作控制应用的处理量和处理速度。总体而言，开车和切换时的浪费减少，机械元件少使磨损降低所节省下来的费用大大地抵消了伺服系统的购买成本。

除了生产率和精确度等令人动心的优点之外，伺服系统的操作性好，同时可以提供多种网络协议的网络选项，如Ethernet TCP/IP，

Profibus-DP，DeviceNet，INTERBUS-S，ControlNet和Rexroth标准SERCOS。SERCOS是唯一的开放式标准，协调、同步化数字动作控制，是动作控制系统及其传动机构的数字界面。这种通讯标准（IEC认可为IEC-61491）允许多个伺服传动机构通过一根共用的抗噪光纤电缆连接到

一个动作控制器上。一旦安装就位，SERCOS网络连接形成一个回路，避免了为每一个传动机构单独硬接线到动作控制器。SERCOS标准真正与众不同之处在于，它通过一个保证毫微秒同步的协议协调自动化设备上多个枢轴的动作。它同时提供控制系统和传动机构之间变量交换的标准化格式。

诸如SERCOS等网络选项有助于提高通讯速度，增强抗噪能力，扩大开放性，使硬件标准化以及使用更少的连接电缆和电线，从而进一步简化了元部件的更新和系统升级。

伺服系统还可以提供有价值的诊断功能，帮助排除故障，大大缩短了维修时间，多数配有PC接口和HMI（人-机界面）选项。

从本质而言，伺服技术并非新鲜事物。但是在过去几年里，其昂贵的成本使其仅能作为小型应用领域的选择。随着制造商面临永远存在的速度和精度要求，伺服传动设计迅速发展成为新的标准。