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工业自动化之伺服系统行业综述

发布时间:2019-04-10   点击次数:883次

一、伺服系统的定义

伺服来自英文单词SERVO,指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动,运动要素包括位置、速度和力矩。

伺服系统是以变频技术为基础发展起来的产品,是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。伺服系统除了可以进行速度与转矩控制外,还可以进行、快速、稳定的位置控制。

 

二、伺服系统的分类

按控制原理分,有开环、闭环和半闭环三种形式;按被控制量性质分,有位移、速度、力和力矩等伺服系统;按驱动方式分,有电气、液压和气压等伺服驱动形式;按执行元件分,有步进电机伺服、直流电机伺服和交流电机伺服形式。

 

三、伺服系统的发展历程

50年代以前,伺服系统由传统液压控制向电气控制转变;

60年代,直流伺服电机得到广泛应用,其控制电路比较简单,价格较低,但缺点是内部有机械换向装置,碳刷易磨损;

70年代,交流伺服控制系统和交流伺服电机逐步普及,取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机;

80年代,伺服系统闭环系统逐步取代开环系统;

90年代以后,交流伺服系统由模拟控制向数字化控制进化。

 

四、伺服系统的构成

目前应用为广泛的是电气伺服系统,本文主要介绍电气伺服系统,通常伺服系统包括伺服驱动器和伺服电机,以及伺服反馈装置(编码器)。

伺服驱动器属于自动化控制系统中的驱动层,伺服电机属于执行层,编码器通常内置在伺服电机末端。

伺服系统

伺服驱动器,又被称为伺服控制器、伺服放大器,是用来控制伺服电机的一种控制器。其作用类似于变频器作用于普通交流马达,属于伺服系统的一部分,主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制,实现高精度的传动系统定位,是传动技术的核心控制产品。

伺服驱动器可以通过速度环、位置环、电流环分别对伺服电机的转速、位置、转矩进行相应控制。

伺服驱动器

伺服电机,在自动化控制系统往往与终端执行机构相连,因此也被成为执行电机。伺服电机在伺服系统中作为执行元件,其作用是将伺服控制器的脉冲信号转化为电机转动的角位移和角速度。

伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类,与普通电机相比其主要特点是,其通常搭配反馈装置一起使用。

 

编码器,也就是伺服电机的主要反馈装置,安装在伺服电机末端用来测量伺服电机转角及转速的一种传感器。伺服电机的控制度很大程度决定于编码器的精度。

目前自控领域常用的是光电编码器和磁电编码器。光电编码器通过光电码盘反射光信号数量确定电机转子转动角度,而磁电编码器通过磁场感应元器件来感应电机转子转动所带来的磁场变化来确定电机转子位置。

编码器的组成

 

五、伺服系统的工作方式

伺服系统的工作过程可以简单理解为上位机(PLC、控制卡)发出脉冲信号驱动伺服电机,由上位机来控制整个伺服运动,编码器是一个反馈单元,用来检查伺服电机执行了多少脉冲信号并反馈给驱动器,从而进行闭环控制。

简单来说,伺服驱动器驱动电机运转,电机带着编码器旋转,编码器的反馈型号输送到控制器,控制器就能知道电机的运转情况,从而得出电机的转速,移动位置和移动距离等。控制器根据编码器反馈的信号经过计算得出偏差结果,再次控制电机运动,纠正偏差,从而控制电机的转速、位置、距离和力矩等系统变量。

伺服系统工作方式

 

六、数控机床的伺服系统

 

数控机床的伺服系统是数控机床的重要组成部分。伺服系统位于数控装置与机床主体之间,其主要功能是从数控装置接收微小的电控信号,放大成强电信号,去驱动伺服系统中的驱动元件——伺服电动机,将电控信号的变化,转换成伺服电动机输出轴的角位移或角速度的变化,从而带动机床各部件运动。

数控机床伺服系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制系统,也可称为位置随动系统。

数控机床的CNC 装置是数控机床发布命令的“大脑”,而伺服驱动则为数控机床的“四肢”,是一种 “执行机构”,它能够准确地执行来自CNC 装置的运动指令。

数控机床伺服系统主要有两种:一种是进给伺服系统,它控制机床各坐标轴的切削进给运动,以直线运动为主;另一种是主轴伺服系统,它控制主轴的切削运动以旋转运动为主。驱动装置由驱动部件和速度控制单元组成。驱动部件由交流或直流电动机、位置检测元件(例如旋转变压、感应同步器,光栅等)及相关的机械传动和运动部件(滚珠丝杠副、齿轮副及工作台等)组成。

数控车床伺服系统

 

 

七、伺服系统与变频器

 

交流伺服的技术本身就是借鉴并应用了变频的技术,在直流电机的伺服控制的基础上通过变频的PWM方式模仿直流电机的控制方式来实现的,交流伺服电机必然有变频的这一环节。可以说,伺服系统是以变频技术为基础发展起来的产品。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换成另一频率的电能控制装置,能实现对交流异步电机的软启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素等功能。可驱动变频电机、普通交流电机,主要是充当调节电机转速的角色。

伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标的任意变化的自动控制系统。主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理,使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。

目前,在工业应用上,速度控制和力矩控制的场合要求不是很高的一般用变频器,在有严格位置控制要求的场合中只能用交流伺服驱动器来实现,有些对速度的精度和响应要求高的场合也有用交流伺服驱动器控制的。

 

八、伺服系统的市场分析

根据工控网数据,2016年伺服系统恢复业绩增长,市场规模达到86亿,增长率40%,受2008年金融危机以及2009年国内经济刺激计划影响,2011-2015年国内制造业固定资产投资持续不景气,带来伺服系统市场需求增长率持续下跌。2016年开始,国内制造业投资出现复苏迹象,伺服系统也恢复快速增长。

根据《中国制造2025》规划,传统产业的升级,以及新兴产业的高速发展,工业自动化趋势下伺服系统需求将持续增长,按照政策规划测算可以保持每年10%以上的增速,在 2020年达到百亿级市场。

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