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浅述伺服技术在工业自动化中发展与应用
新闻来源:internet    点击数:2084    更新时间:2012-04-17 12:43:35    收藏此页

  随着人类社会工业生产的不断发展,生产过程中需要进行检测、控制、优化、调度、管理和决策,以达到增产、提质、降耗、确保安全等目的。而工业自动化技术是应上述要求而发展起来的一类综合性高新技术。从近几年的国内外的工业自动化展会上呈现出它的应用越来越广泛,覆盖机械、电子、电器、机床、石化、冶金、水工业、电力、交通、环保、纺织、印染、造纸、制药、汽车、食品等行业。它的应用对提高企业的生产效率及经济效益起到积极的作用,而伺服技术又是决定上述作用发挥的关键技术。

  电力电子技术、电机先进制造技术、大规模集成电路和微处理技术的迅速发展,使得机电伺服技术也相应地得到了长足的发展和广泛的应用。而伺服技术的良性发展,对于工业自动化技术来说,无疑是如虎添翼。因此,本文就伺服技术在工业自动化中的发展和应用现状进行综述,旨在反映其在工业自动化中的发展进程和作用。

  工业自动化概述

  工业自动化技术,是以工业生产过程中的各种参数为控制目的,从而实现各种过程控制的技术。在整个工业生产过程中,尽量减少人力的操作,而能充分利用动物以外的能源与各种资讯来进行生产工作,即称为工业自动化生产。

  工业自动化的发展经历了三个阶段:

  第一个阶段是上世纪40年代到60年代初,随着市场的竞争、资源利用、减轻劳动强度、提高产品质量、适应批量生产的需要,出现了各种单机自动化加工设备,如硬件数控系统的数控机床,而这也是伺服技术在工业自动化第一阶段的发展和应用体现。

  第二个阶段是20世纪60年代中到70年代初期,随着市场竞争加剧、要求产品更新快、产品质量高、并适应大中批量生产需要和减轻劳动强度,在单机自动化的基础上,各种组合机床、组合生产线得以出现。同时软件数控系统的出现并应用于机床,cad、cam等软件开始用于实际工程的设计和制造中。此阶段硬件加工设备适合于大中批量的生产和加工,如用于钻、镗、铣等加工的自动生产线。因此,伺服技术在这个阶段,得到了进一步的发展和应用。

  第三个阶段是上世纪70年代中期到现在,随着市场环境的变化,使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重,要求工业自动化技术向其广度和深度发展,使其相关技术高度综合,发挥整体最佳效能,出现了cims(computer integrated manufacturing systems)工厂、柔性制造系统(flexible manufacturing systems)、以及数控机床(nc,cnc)、机器人等。这个阶段,使得伺服技术得到了空前的发展,并且切实地应用到了工业生产过程中去了。

  就本质上讲,工业自动化系统就是机电一体化系统,由机械本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、驱动部分、控制及信号处理单元等硬件构成。而驱动部分、控制及信号处理单元,加上软件程序和电子电路逻辑,就是伺服技术的核心。因此,工业自动化技术的发展,离不开伺服技术的发展。如今工业自动化的发展主要朝工业智能化、工业高精度化、工业无线化的方向发展,而工业智能化的发展,对伺服技术中的控制算法提出了更高的要求。

  伺服技术的发展现状

  伺服技术是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制技术。而在很多情况下,伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统,其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。伺服系统的结构组成和其它形式的反馈控制系统没有原则上的区别。

  伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。本文所综述的是机电伺服系统,一般分为直流伺服和交流伺服,最初主要应用于军方的船舶自动驾驶、火炮控制和指挥仪中,后来逐渐推广到很多领域,特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的:

  a) 以小功率指令信号去控制大功率负载,火炮控制和船舵控制就是典型的例子;

  b) 在没有机械连接的情况下,由输入轴控制位于远处的输出轴,实现远距同步传动;

  c) 使输出机械位移精确地跟踪电信号,如记录和指示仪表等。

  在上世纪60年代之前,伺服系统以步进电机直接驱动为主,多为位置开环系统,并且在针式打印机、电火花加工机床和自动化生产线等领域获得了广泛应用。但由于其存在发热大、效率低、不易维修、易污染环境等缺点,限制了其进一步的发展和应用。

  到了20世纪80年代,在当时的相关理论和工艺技术下,直流电机由于结构简单、调速性能良好、易于控制等优点,开始取代了交流伺服,并且在工业自动化中取得了广泛的应用,其位置控制系统也由开环转向了闭环控制。

  随着稀土永磁材料和电机控制理论、电力电子技术、集成电路技术和传感器技术的飞速发展,到20世纪90年代,交流伺服技术又得到了长足的发展。无刷直流伺服系统、交流永磁伺服系统逐步取代了直流伺服系统在工业自动化中的应用。并且,交流伺服系统的控制方式很快就向数字化方向发展,由硬件伺服转向软件伺服。

  近10年来,永磁同步动机性能快速提高,与感应电动机和普通同步电动机相比,其控制简单、良好的低速运行性能及较高的性价比等优点使得永磁无刷同步电动机逐渐成为交流伺服系统执行电动机的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服领域。而交流异步伺服系统仍主要集中在性能要求不高的大功率伺服领域。

  自20世纪80年代后期以来,随着现代工业的快速发展,对作为工业设备的重要驱动源之一的伺服系统提出了越来越高的要求,研究和发展高性能交流伺服系统成为国内外同仁的共识。有些努力已经取得了很大的成果,“硬形式”上存在包括提高制作电机材料的性能,改进电机结构,提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向和努力。“软形式”上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。如采用“卡尔曼滤波法”估计转子转速和位置的“无速度传感器化”;采用高性能的永磁材料和加工技术改进pmsm转子结构和性能,以通过消除/削弱因齿槽转矩所造成的pmsm转矩脉动对系统性能的影响;采用基于现代控制理论为基础的具有将强鲁棒性的滑模控制策略以提高系统对参数摄动的自适应能力;在传统pid控制基础上进入非线性和自适应设计方法以提高系统对非线性负载类的调节和自适应能力;基于智能控制的电机参数和模型识别,以及负载特性识别。

  对于发展高性能交流伺服系统来说,由于在一定条件下,作为“硬形式”存在的伺服电机、逆变器以相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因数的制约;而以“软形式”存在的控制策略具有较大的柔性,近年来随着控制理论新的发展,尤其智能控制的兴起和不断成熟,加之计算机技术、微电子技术的迅猛发展,使得基于智能控制的先进控制策略和基于传统控制理论的传统控制策略的“集成”得以实现,并为其实际应用奠定了物质基础。

  伺服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性及时变性的“系统”,同时伺服对象也存在较强的不确定性和非线性,加之系统运行时受到不同程度的干扰,因此按常规控制策略很难满足高性能伺服系统的控制要求。为此,如何结合控制理论新的发展,引进一些先进的“复合型控制策略”以改进“控制器”性能是当前发展高性能交流伺服系统的一个主要“突破口”。

  伺服在工业自动化中应用现状

  在工业自动化生产过程中,只要涉及到被控设备精确地跟踪给定参数,就需要用到伺服技术。而根据伺服技术的发展和应用来看,交流伺服技术具有更广阔的发展空间和实用性。因此,交流伺服技术已在数控机床、机器人视觉、包装机械等领域得到了实际的应用。

  1)应用于数控机床

  数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号,驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动,并保证动作的快速和准确,这就要求高质量的速度和位置伺服。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。

  数控车床中主轴为旋转坐标,另外两个坐标属刀具进给系统(x、z坐标)。刀具在x轴向和z轴向的运动分别由各自的伺服电动机通过滚珠丝杠带动,而电动机的转动及运动方式均由伺服控制器控制。主轴电动机为高速内装式感应电动机。主轴控制器通常采用矢量控制法对感应电动机进行控制,直接把转速指令输入主轴控制器就可以控制主轴的转速。由数控系统cnc给出主轴电动机与进给伺服电动机控制命令完成对主轴速度控制与各进给轴的速度、位移控制,实现轨迹加工。各坐标轴都有相应的速度与位移检测装置,构成闭环反馈控制。主轴电动机由旋转变压器测速,由光电编码器检测位置实现分度使之与进给系统保持同步,完成各种加工。

  2)机器人视觉伺服

  机器人视觉伺服,一般指的是,通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像,通过图像反馈的信息,来让机器系统对机器做进一步控制或相应的自适应调整的行为。

  上个世纪60年代,由于机器人和计算机技术的发展,人们开始研究具有视觉功能的机器人。但在这些研究中,机器人的视觉与机器人的动作,严格上讲是开环的。机器人的视觉系统通过图像处理,得到目标位姿,然后根据目标位姿,计算出机器运动的位姿,在整个过程中,视觉系统一次性地“提供”信息,然后就不参与过程了。在1973年,有人将视觉系统应用于机器人控制系统,在这一时期把这一过程称作视觉反馈。直到1979年,hill和park提出了“视觉伺服”概念。很明显,视觉反馈的含义只是从视觉信息中提取反馈信号,而视觉伺服则是包括了从视觉信号处理,到机器人控制的全过程,所以视觉伺服比视觉反馈能更全面地反映机器人视觉和控制的有关研究内容。

  上个世纪80年以来,随着计算机技术和摄像设备的发展,机器人视觉伺服系统的技术问题吸引了众多研究人员的注意。在过去的几年里,机器人视觉伺服无论是在理论上还是在应用方面都取得了很大进展。在许多学术会议上,视觉伺服技术经常列为会议的一个专题。视觉伺服已逐渐发展为跨机器人、自动控制和图像处理等技术领域的一门独立技术。

  3)应用于包装机械

  在包装机械行业,制约生产速度提高的关键因素是包装机械上有很多存在同步关系的高频度定位动作,而传统上采用单电机拖动加离合器或制动器方案来控制运动部件的启动和停止,冲击不可避免,导致离合器或制动器的摩擦片磨损后工作特性降低,影响动作的精度,更不可能完成高频度、高精度的同步控制。如果各运动部件之间的传动比是变量或传送链较长时,采用单电机拖动时就需要更换很多传动部件,操作起来周期长、成本高。

  而交流伺服电机的恒转矩、高响应性、免维护等特点使其在包装机械上有着普通电机不可比拟的优势。当一定量的指令脉冲发出后,变换器根据偏差计数器里的滞留脉冲的多少输出速度指令电压,通过电机控制部分驱动交流伺服电机转动。电机旋转过程中,位置反馈编码器的反馈脉冲使得偏差计数器里的滞留脉冲减少,当偏差计数器里的滞留脉冲数量为零时,交流伺服电机停止转动。电机转动的速度由指令脉冲的频率决定,电机旋转角度由指令脉冲的数量决定。随着交流伺服技术在包装机械上的广泛应用,使得包装机械水平将踏上一个新的台阶。

  结语

  本文综述了工业自动化和伺服技术的发展,工业自动化范畴宽泛,着重于伺服技术在数控机床、机器人视觉和包装机械行业的应用现状进行了介绍。伺服技术在工业自动化的其它行业同样有着更广泛的应用,并朝着两个应用方向发展:一是满足一般工业自动化应用要求,即对性能指标要求不高的应用场合,追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品;二是代表着伺服技术发展水平的主导产品,即追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制,以满足较高的工业自动化应用要求。总之,伺服技术的发展,势必对整个工业自动化的发展起到一个积极的推动作用。

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