智能伺服驱动的研究进展综述

智能伺服驱动的研究进展综述摘要：运动控制系统中,伺服技术是实现工厂自动化的基础技术,也在工业中有很广泛的应用。而在当今的制造业中,智能化已经成为一切工业控制设备的流行趋势,伺服控制系统智能化也不例外。随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术等支撑技术的快速发展,智能伺服系统取得了突破性的进展，智能伺服系统的性能日渐提高。本文结合大量的文献资料,总结和分析了当前智能伺服驱动的发展现状以及发展趋势，明确了加强开发伺服系统的意义。关键词：伺服驱动；智能化；现状；趋势前言现代高性能智能伺服系统涉及的学科和技术领域包括了电机技术、材料技术、计算机技术、控制技术、微电子技术、电力电子技术、传感技术、网络技术等，属多学科、多技术领域交叉的典型光机电一体化产品。各学科和技术领域中的最新成果都能很快在现代高性能智能伺服系统中得到应用，甚至会对其基本设计思想产生影响。总的来说，软件、电子、通信和半导体技术的快速发展直接推动了智能伺服系统的换代，导致新产品换代周期从本世纪初时的5年左右缩短到2～3年。现代高性能智能伺服系统并不是一个孤立的产品或系统，它是现代运动控制系统的核心，是各类高技术智能化装备的基础性、关键性部件。甚至可以毫不夸张地讲，采用高性能伺服系统是制造业实现自动化、信息化和智能化水平的标志。“三化”的水平越高，其与周边产品及产业的关联度及相互依存度就越高，因此现代高性能智能伺服系统是促进制造业转型升级、实现可持续发展的关键产品。交流伺服技术运用于各项技术，如工业机器人、数控机床、加工中心等的关键性技术，目前高性能数控机床和工业机器人所采用的电伺服系统仍然主要依靠进口，这种现状限制了我国高科技产业的发展。因此，通过借鉴国外研究工作的先进经验，从高起点出发，尽早研制出具有当今国际水平的高性能、实用化的智能伺服系统，对于促进我国航空、航天、国防及工业自动化等领域的发展，跟踪和赶上世界先进水平均有重要意义。随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁技术和控制理论的惊人发展，尤其是先进控制策略的成功应用，智能伺服系统的研究和应用，自70年代末以来的短短二十几年间，取得了举世瞩目的发展，已具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美，多年来的“交流伺服取代直流伺服”这一愿望正逐渐变为现实。可以预见，智能伺服系统的研究将继续成为电气传动领域的一个研究热点，并将带动相关产业的迅猛发展，因此有必要对智能伺服系统及其先进控制策略的发展有一个全面了解。本文正是基于此目的，对智能伺服系统行了较为全面的综述和比较，力图反映其在近些年的最新研究进展。一、国内外智能伺服驱动研究的现状电机控制系统按照驱动电机的类型主要分为直流传动系统和交流传动系统。到了90年代，交流伺服系统已经在许多场合取代了直流伺服系统，它的性能甚至超过了直流伺服系统，从而取代了直流伺服系统成为电力传动伺服系统的主体。如今在经济发达的国家，交流伺服系统的推广应用和智能化速度相当快，己遍布冶金、电力、铁路等领域。交流伺服控制技术随着用户需求变化而不断发展。电机、驱动、传感和控制技术等关联技术的不断变化，造就了各种各样的交流伺服控制系统。就电机而言，可以采用盘式电机、无铁芯电机、直线电机、外转子电机等；驱动器可以采用各种功率电子组件；传感和反馈装置可以是不同精度、性能的编码器、旋变和霍尔组件，甚至是无传感器技术；控制技术从采用单片机开始，一直到采用高性能的DSP和各种可编程模块，以及现代控制理论的实用化等等。从2005年11月在德国纽伦堡举办的SPS/IPC/Drives展览上可以看到世界范围内电气驱动、运动控制和相关软件的最新发展，其中交流伺服产品的亮点很多，代表了当前的国际水平。（1）贝加莱（B&R）工业自动化公司推出的ACOPOSmulti驱动系统采用模块化的可扩展结构，每个轴模块可以提供一个或两个伺服轴控制，并集成了一个24V的DC辅助电源模块，该电源模块为驱动器、控制器和外围设备提供了一个到直流总线的链接，来获得开路、短路和过载保护。（2）艾尔默（Elmo）公司展出了一系列伺服驱动器与控制器，包括最新的微型数字伺服驱动器Whistle．这些火柴盒大小的驱动器尺寸虽仅为：5×4.6×1.5cm，但却能提供0.5KW的连续功率（或1KW的峰值功率），为当今市场上最高功率密度与智能化的伺服驱动器。（3）罗克韦尔（RockwellAutomation）公司展出了PowerFlex驱动技术．PowerFlex的特点是运用最新的工业协议EtherNet/IP对同一系统中运行的多轴伺服与变频驱动器实现了无缝同步。这些通讯协议都为多轴实时同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驱动器集成进去。（4）施耐德电气（SchneiderElectric）的智能一体化驱动系统（IclA）具有三种电机特性——交流同步伺服电机、无刷直流电机和步进电机。IclA与传统伺服产品最大的不同是它将运动控制所需的所有部件：电源、通信接口、定位控制器、驱动器、电机和编码器集成在一个紧凑单元中，是真正的机电一体化产品，它为设计者带来了一系列。（5）包米勒（Baumuller）公司提供的带集成行星齿轮传动系的高性能伺服电机，拥有高达98％的效率和很低的噪音；直接驱动型高力矩伺服电机，可以在100～300rpm范围内输出13500N.m。在直接驱动力矩电机市场，成都精密电机厂可以提供定制化的电机组件，但是需要另外加装反馈装置和驱动器。与国外发达国家相比，我国的交流伺服控制的研究起步较晚，80年代末开始研究和引进交流伺服控制技术。我国具有自主知识产权的全数字式伺服驱动器于90年代开始规模化生产制造。华中数控HSV系列全数字交流伺服电机驱动单元具有良好的性能。广州数控设备有限公司DA98A系列智能伺服系统调速比为1:5000；国内厂家北京和利时电机生产的全数字交流伺服驱动器通过键盘设置电子齿轮可以设置为1～9999，比例范围介于1～100之间。但是，作为智能伺服系统的上游厂商，国内主要数控系统生产厂家，其中包括华中数控、航天数控系统有限公司、高档数控国家工程研究中心、上海开通数控有限公司等，其高端产品往往要采用国外的智能伺服系统。虽然国内的产品比进口的要便宜得多，但从整体来看，我国无论从电机制造的材料工艺还是电机的控制、运行特性等方面，与国外都还存在差距。二、发展趋势现代智能伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比如换相、电流、速度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服专用模块也不足为奇。国际厂商伺服产品每5年就会换代，新的功率器件或模块每2～2.5年就会更新一次，新的软件算法则日新月异，可见产品的生命周期越来越短．总结国内外伺服厂商的技术路线和产品路线，可以看到以下一些最新的智能化发展趋势。智能化是当前很多行业的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面：首先他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用起来十分方便，绝大多数先进驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的还可以自动辨识电机的参数，自动测定编码器零位，甚至能自动进行振动抑制；其次它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性；除以上特点之外，有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。利用智能控制的非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服智能伺服系统变参数与非线性等不利因素，可以提高系统的鲁棒性。目前智能控制在智能伺服系统应用中较为成熟的，当首数模糊控制和神经网络控制，而且大多是在模型控制基础上增加一定的智能控制手段，以消除参数变化和扰动的影响。对于伺服控制系统来说,智能化让其更富于变化。智能化可根据客户的要求制订,因为不同的客户都会有非常专业的要求,这就要求产品本身能够根据客户的要求做出灵活的变化,这是智能化实现的一个最重要的环节。智能化的实现主要是软件,供应商一定要注重软件的应用性,因为伺服系统所能完成的调试、组态、诊断功能都是用软件来完成的。对于伺服智能化的表现形式实际上可以用通用的平台来实现定位、同步等功能,需要变化的是软件。三、总结如今伺服驱动快速发展，快速运用于各个领域，先前困扰着交流伺服系统的电机控制复杂、调速性能差等问题取得了突破性的进展。交流伺服系统的性能日渐提高,价格趋于合理。交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代伺服控制系统的一个发展趋势。由于感应电机具有结构坚固,制造容易,价格低廉等优势,因而感应电机伺服系统具有很好的发展前景,代表了将来交流伺服技术的发展方向。同时，对于机械设备的效率和柔性的追求，我们需要促进伺服驱动器的智能化，智能化可以使整个系统的编程变得更加简单,能实现更加复杂的运动控制,同时伺服本身的运行控制程序,一方面可以降低对上位控制系统的资源需求,更重要的是大大提供实时性,可以使伺服轴能在更短的时间内响应外部事件。智能化伺服可以使多轴之间的协调藕合运动变得更完善、高速,使大量的伺服轴驱动变得可能,机械设备就自然变得更加柔性了。为了技术创新和降低人的使用难度,让使用者更加舒适、便捷。对于智能化服务的对象,并不一定需要非常先进的东西,但供应商在提供高端产品的同时如果不考虑应用性、灵活性的话,客户在接受高端产品的同时也不得不接受越来越复杂的操作,实际上这是一个矛盾,客户实际上是想让应用方便,结果反而让这个事情变得更加复杂。我认为对应用性、可靠性设计的追求也是智能化的一个方向。这个市场本身就是用户导向,安全化、人性化都是不可被忽视的重要因素。智能化很重要的一点就是要富于变化。伦茨提出的一个口号就是将通用的产品使用于专业的市场。用通用的设备适应专业的市场的过程就是硬件的变化过程,谁的硬件模块更加富于变化,谁就能更好地适应于客户的需求。所以说智能伺服系统的研究是有很大价值的，还有很大的研究空间。参考文献[1]VermaV,GordonG,SimmonsRetal.Real-timefaultdiagnosisrobotfaultdiagnosis[J].[2]GAWRONSKIW.AdvancedStructuralDynamics,andActiveControlofStructures[M].NewYork,USA:Springer,2004.[3]ALCANTARAS,PEDRETC,VILANOVAR.OnthemodelmatchingapproachtoPIDdesign:analyticalperspectiveforrobustservo/regulatortradeofftuning[J].JournalofProcessControl,2010,20(5):596–608.[4]VermaV,GordonG,SimmonsR,etal.Real一timefaultdiagnosisrobotfaultdiagnoseSCJ.IEJRobotsAutomationMagazine,2004,11(2):56一66.[5]UL508-2010IndustrialControlEquipment[S］．UnderwriterLaboratoriesInc．2010．[6]GRAHAMMR,OLIVEIRAMC,CALLAFONRA.AnalternativeKalman-YakubovichPopovlemmaandsomeex