Page 177 - 电气自动化控制技术研究

第六章 工业自动化伺服驱动器系统的相关研究

构成一般包括动力提供设备（液压泵）、控制器、伺服阀、液压缸、执行机构、检测反馈

装置等。目前液压系统主要应用于大功率环境，如军工、起重行业中。在气动伺服研究方
面，美国 Shearer 等人在 1956 年首次将气动伺服机构应用航天飞行器及导弹的姿态和飞行
稳定控制中。1979 年，德国亚琛工业大学的 W.Backe 教授研制出了第一个气动伺服阀，

由于仿照液压伺服阀设计，性能不佳，未能推广应用。直到 FESTO 等公司的成熟电气伺
服阀的研制成功，气动伺服技术才得以迅速发展。气动伺服系统一般包括控制器、气源、
气动伺服阀、气缸、位移传感器、执行机构等。由于气动系统的工作介质是空气，具有环

保、安全、方便和费用低等优点，同时空气的高压缩性和低黏度特性，使其在控制中带来
了响应滞后、精度低、噪声大等缺点。目前多应用于医疗设备或者需要本质安全的设备中。
电机伺服系统出现的时间较晚，最初的驱动电机为步进电机，并且使用开环控制。直

到 20 世纪 80 年代以后，随着微处理器技术、大功率高性能半导体器件和永磁材料制造工
艺的发展，交流伺服电机逐渐取代步进电机成为电机控制的主导产品，使用编码器反馈闭

环控制极大地提高了系统的控制精度和稳定性。电机伺服系统的构成一般包含控制器、伺
服驱动器、伺服电机、电动缸、行程开关等。其中伺服驱动器首先通过功率驱动单元将三
相电或单相电整流为直流电，然后逆变为三相正弦 PWM 电压，驱动交流伺服电机。电动

缸主要由变速装置、丝杠和缸体构成，将旋转运动通过丝杠转变为推杆的直线往返运动。
相对于液压与气动伺服系统，电动伺服系统主要有以下优点：第一，运行费用低和维护费

用较少，节约能源。第二，噪声低，液压泄露污染。第三，系统构成简单，控制精度较高。
第四，容易实现数字控制
由于交流伺服系统具有诸多优点，20 世纪 90 年代引入中国后快速发展，已经广泛应

用于航空航天、国防工业、生产自动化等领域，成为工业自动化的基础技术之一。目前国
内的伺服驱动器多使用脉冲序列或模拟信号控制，这种控制方式存在着交互信息有限、布
线复杂、可靠性低、难以实现系统的分布式控制。在多轴联动系统中，如果使用脉冲控制，

由于伺服驱动的位置环采样时刻与控制器的同步时刻不一，无法保证系统的实时性和各轴
间的同步性。如今欧美等发达国家已经开始放弃传统的脉冲、模拟信号控制模式，逐渐向
基于串行总线技术的分布式驱动发展。数字式伺服驱动器不再具有用于脉冲控制的数字 I/

O 口，只提供一组总线接口（入口和出口），通过总线网络与控制器连接。
（三）多轴伺服运动控制系统

传统的伺服控制使用脉冲序列加方向信号控制，通过调节脉冲频率改变电机的转速，
调节脉冲数量实现电机的精确转动角度定位，每台电机需要一组包括控制信号、反馈信号、
供电信号等十余根信号线。多轴运动控制器是基于高性能处理器（如 DSP、FPGA 等）及

大量可编程器件开发的，可以同时发出多组脉冲，用于实现多个伺服电机的协调控制，同
时具有脉冲计数、数字 I/O、D/A 输出等功能，可以完整的实现运动系统的全闭环控制。

目前多轴运动控制器主要分为两种，一种是 PCI 板卡，通过嵌入工控机 PCI 插槽与上位机
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