伺服系统在工业自动化控制领域的应用

刘昕

摘要：随着社会经济水平的不断提升，工业技术也相应得到了创新与发展，在这样的背景下，对工业自动化的需求也越发旺盛。在自动化系统中，伺服技术的运用越来越广泛，这从某种程度上表明展开伺服技术的研究具有极其重要的意义。

关键词：伺服控制技术;自动化系统;应用

伺服控制系统综合了电子技术、计算机技术、检测技术、自动控制和机械结构等各个领域的最新技术成就，是典型的机电一体化系统。以CNC数控系统为代表的伺服系统主要在精密加工等数控机床领域，而PLC作为控制的伺服系统兼具了高精度和经济性的特点，在一般精度要求的工业自动化设计和改造领域具有很好好的应用前景。

1.伺服系统的组成及原理

伺服系统主要有伺服电机、伺服驱动器、指令机构三大部分构成，伺服电机是执行机构，就是靠它来实现运动的，伺服驱动器是伺服电机的功率电源，指令机构是发脉冲或者给速度伺服驱动器的。上位机是给伺服指令，如PLC、工控机等，伺服驱动器是接收上位机的指令，控制电机转动角度和速度，伺服电机是执行机构，其自带的编码器把电机旋转的角度和速度反馈给伺服放大器，构成闭环，确保精度。

2.伺服系统分类

伺服系统按其驱动元件划分有步进式伺服系统、直流电动机（简称直流电机）伺服系统、交流电动机（简称交流电机）伺服系统;按控制方式划分有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等。实际上数控系统也分成开环、闭环和半闭环3种类型，就是与伺服系统这3种方式相关。

2.1开环系统

开环系统构成主要由驱动部分、执行元件和被控对象三大部分组成。由驱动部分直接给出命令，执行元件控制被控对象达到预先目的，被控对象并不把实际情况反馈给驱动部分，这种控制系统叫开环系统。

2.2闭环系统

闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和被控对5个部分组成。在闭环系统中，检测元件将被控对象移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。通常把安装在电机轴端的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统;把安装在被控对象上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。由于电机轴端和被控对象之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。

2.2.1比较环节。比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。

2.2.2驱动电路。由于比较环节输出的信号比较微弱，不能够驱动执行元件，所以要对其进行放大，驱动电路正是解决此问题。

2.2.3执行元件。執行元件的作用是根据控制信号，将电信号转化为机械位移，驱动被控对象工作，常用的执行元件是伺服电机等。

2.2.4被控对象。被控对象包括位移、速度、加速度、力、和力矩为被控对象。

2.2.5检测单元。检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的装置，一般包括是传感器和转换电路。

2.3直流伺服驱动与交流伺服驱动

交流伺服系统使用交流异步伺服电机和永磁同步伺服电机，而直流伺服电机存在着固有的圈点，使其收到应用环境的限制。交流伺服电机则没有这些缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应好。另外在同体积条件下，交流伺服电机的输出功率可比直流伺服电机输出功率要大的多，同时交流伺服电机的容量还比直流伺服电机大的多，可以达到更高的转速和电压。

3.伺服系统的应用

3.1在机械人中的应用

在自动化不断发展的今天，机器人已经被广泛地应用到各个领域，如果超薄玻璃上使用的在线运动抓片机械手，汽车生产企业的自动焊接机，电子厂内抓取手等。机器人控制过程中最重要的一个环节就是伺服控制系统，它可以通过PLC、触摸屏等设备控制各个伺服电机产生不同的扭矩和不同的方向，可直接或者间接地控制终端设备，以达到想要的效果和功能。同时也是因为伺服电动机具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力，所以，伺服系统在工业机器人领域的应用也是得到了广泛发展。

3.2在数控自动化机床中的应用

伺服系统在数控机床中的作用，往往集中于接收来自控制中心的指令信号，并且驱动机床各个部件的移动，都能在科学指令的引导下展开运动，以此使得数控自动化系统的运行质量水平得到极大强化。要想使数控机床自动化系统的这一目标得到实现，就需要提高伺服控制技术的操作速度和精度，这从侧面表明应当运用更高控制精度的伺服驱动系统。高控制精度的伺服控制系统，在数控机床数据采集以及收集环节上，能够准确地把控好有效数据的选取质量，并使数控自动化机床工作的各个流程都表现得更加合理，从而满足生产建设的实际要求。只有提升伺服控制系统的精度，才能在数控机床生产过程中应用更高质量的加工器件。因为在科学技术不断发展的今天，人们对于加工精度的要求变得越来越高，所以注重伺服控制技术在数控自动化机床中的应用，能较大程度地提升工作开展的质量与效率。

3.3伺服控制技术在自动系统优化环节中的应用

交流伺服电机的出现以及大规模应用，极大提升了伺服系统技术的基本性能，包括应用交流伺服系统的自动控制系统的性能。

（1）能提升自动化控制系统精度。自动控制系统设备同普通设备有着较大的差别，当自动控制系统设备出现相应问题，并不能第一时间对误差等展开科学调整与补偿，因此自动化控制设备的精度要求往往较高。当伺服控制技术应用到自动化系统中后，能有效避免误差不能及时调整、补偿的问题，并且还能使各个环节的精度达到微米级别，这样也就提升了自动化系统的精度。

（2）能做好大范围的调速工作。自动化控制系统的调速问题往往也决定着最终工作运行的质量水平。以往的技术并不能很好地处理这一环节的工作，但伺服控制技术凭借其多方面的优势，能在根本上使自动化系统各个环节的速率得到连续化调整，其调节范围也比一般的技术调控范围大。因此，当伺服控制技术在自动化系统中得到应用后，势必能极大提升自动化系统的基本性能，为后续工作的

开展打下良好的基础。因此，将伺服控制技术应用在自动化系统中，能在各个环节中优化自动化系统的性能，从而使得各种类型的自动化系统都能获得较高水平的应用效果，满足社会生产生活的实际要求。

结语：

伺服控制技术是一项极具系统性的技术，将其应用到工业自动化系统中，能从根本上提升自动化系统的性能，所以需要人们引起高度重视。相信随着有关人士的不断分析与研究，国内伺服控制技术应用的质量水平必将得到提升，同时自动化系统的运转质量也能得到极大优化，进而满足生产建设的需要。

参考文献

[1]李大可.PLC和交流伺服电机在工业自动化中的应用[J].中国科技投资，2017，（032）：281.

[2]赵阳.自动化系统机械手控制应用[J].产业科技创新，2019，（04）：87-88.

（驻马店技师学院）