伺服电机自适应控制系统研究

郑蕾 周雪松 尚穆杨 郭廷德

摘要：伺服电机是一种在控制系统中控制元件转动的发动机，其体积小、功率高、重量轻、运行安全可靠、结构简洁。为了满足因科技的迅猛发展，对伺服电机的精度有了相对以往来说更高的要求。而高精度的伺服电机取决于更加精确的模型，但是伺服电机运行过程中会受到很多外部条件以及内部因素的影响，使得相应的模型建立更为复杂，导致伺服电机控制系统性能高的特点难以在实际的运行中得以体现。

关键词：伺服电机;自动控制;应用

1伺服电机的基本原理

根据伺服电机在伺服电机控制系统中工作方式，可以将伺服电机看作是一个执行电动机。其在伺服系统中负责把系统的输入信号即电压信号转换成电动机轴承的转动的运动信号以输出，伺服电机通过接受系统的输入信号，完成不同程度的转动，根据转动速度，移位等物理量，就可以得到信号，不同的输入信号对应不同的输出响应信号，以这种方式可以精准的控制电动机的转动。这种控制系统就是伺服电机控制系统，而系统中被控制的电动机就是一个伺服电机。根据伺服电机在伺服系统中使用的电源不同，一般可以分为两种不同形式伺服电机，即直流伺服电机与交流伺服电机，其中直流伺服电机在实际应用中最大输出功率一般可达到600W左右，因此直流伺服电机一般情况下应用在需要较大的输出功率的伺服控制系统中。交流伺服电机在伺服系统中输出功率上限却只能在100W在右，所以在伺服系统中交流伺服电机一般情况下是用于精度较高而对功率要求比较小的控制系统中。

2伺服电机的分类及应用

2.1直流伺服电机

直流伺服电机，它由定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器构成。直流伺服电机分为有刷和无刷两种电机，有刷电机具有结构简单、转矩大、能够进行大范围调速等特点。有刷电机的缺点是会产生电子干扰，从而对工作环境有要求。无刷直流伺服电机具有体积小、重量轻、响应速度快、力矩稳定等特点。易于实现智能化、电机不需要维护、效率高、噪音小、寿命长，适用于各种环境。

2.2交流伺服电机

交流伺服电机的结构主要可分为定子和转子两部分。而定子的结构与旋转变压器的定子基本一致，在定子上安放着空间位置构成90度的两相绕组。有一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，因此交流伺服电动机又称为两个伺服电动机。交流伺服电机具有较宽的调速范围、机械特性好、没有“自转”现象等特点，由于交流伺服电机的转子做得细而长，因此它的反应速快、转动惯量小，并且运行平稳，以至于被广泛应用。

3伺服电机控制系统的工作原理

主要以伺服电机作为动力源的电动卷闸门进行控制系统的研究，控制伺服电机的启停、加减速、正反转，以改变普通电动卷闸门的运行方式。在电动卷闸门系统中主要由PLC控制器、感应器件、伺服驱动器和传动装置组成，其主要原理是通过改变电机的旋转频率来达到控制电机的运转速度，以及在电动卷闸门下降的过程中通过感应器件来判断门底是否有人，以防止电动卷闸门撞人，起到安全运行的作用。系统控制目标为：（1）实现电机的启停控制。（2）实现电机的正反转控制。（3）实现电机的加减速控制。（4）设计合理的安全保护。

4自适应控制的基本原理

所谓的自适应就是系统在一些内部因素、外部环境变化所带来的系统参数、输入输出等数据变化时，可以将系统偏差通过各种自动控制方式，调节系统以增加系统对干扰的适应的过程。自适应控制即为一种可以在控制系统运行中可以改变自身系统的各种参数以达到可以自动适应系统输入或其他扰动所带来的变化以达到系统稳定的控制方式。自适应控制系统的原理说的通俗一点就是一个控制系统本来按照一定的即成规律运行，这时它是稳定的，但如果这时有一个意外因素出现了，它扰乱了系统的稳定结构，在不加干预的情况下系统可能会偏移稳定状态使得整个系统崩溃，这时候如果加上一个控制器来使得系统在偏移稳定值时可以使系统回到原来的稳定值。那么这就成了一个自适应系统。自适应控制在各个方面都有着非常优越的表现，但是其受制于多种因素，在其应用上仍有许多亟待解决的问题。首先便是在自适应控制系统的设计中要在系统运行中对整个系统在运行时的数据进行采集，在实验室里我们可以通过调整实验环境来调整我们的数据以达到对当前自适应控制系统最理想的工作数据，但在实际的设计中现场环境等因素会时时刻刻影响着系统，尤其是现今这种日新月异的环境下我们对系统的数据测量采集变的愈发的困难。

5MIT自适应律

利用MIT自适应律进行系统的搭建时，需要先对系统进行分析，依据数学建模方法搭建出系统的参考模型，然后就可以依据系统的参考模型的输出与真实的系统输出之间的差值确定一个偏移量e，e称之为系统的广义误差。因为在实际的系统控制中会通过改变控制器的参数来使得e在无穷大处趋近于0。

6伺服控制系统

6.1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，精度完全取决于步進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。

6.2半闭环伺服系统

半闭环伺服系统采用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，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。

6.3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。

结束语：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，并且伴随着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]李纪刚，徐鹏云.低成本直流伺服电机调速系统的设计[J].微特电机，2008.

[2]陶克瑞，朱连庆.PLC控制伺服电机应用设计[J].中国高新技术企业，2009年第13期.

[3]凌军.伺服电机在自动控制方面的应用[J].科技与企业，2013（23）.