基于STM32的伺服控制器研发文献综述

 2023-08-15 05:08

文献综述(或调研报告):

3.1 伺服系统的发展历程

伺服系统也称作随动系统,是一种能够实现精确定位或跟随的负反馈控制系统。伺服控制系统可以看做一种自动控制负反馈系统,从诞生起至今,伺服控制系统共经历了机械阶段,液压阶段和电气化伺服阶段,而通常意义上的现代化伺服控制系统是指电气化伺服系统。典型的电气化伺服控制系统由控制器,驱动器和电动机组成,电动机作为被控对象而存在,可以在接受驱动器的电信号之后,按照控制命令要求,产生相应的电磁转矩以驱动负载运动,其中运动要素可以包括位置控制,速度控制和转矩控制等。电气伺服的发展历史可以大体上划分为三个典型的阶段[2]

以20世纪60年代为分界线,在此之前可以看作是伺服系统的第一个发展阶段。在此阶段,伺服系统的电动机主要采用功率步进电机,以功率步进电机作为动力源的同时,还采用开环结构的伺服控制系统,不设计相应的反馈回路,这样的采用步进电机的开环系统对于速度,位置等参数的控制精度很低,现阶段这种低精度的开环伺服系统已基本被舍弃。

从20世纪60年代开始,到20世纪70年代的近十年间,可以看做是伺服系统的第二个发展阶段,此阶段的典型特征是直流电机出现并得到广泛应用和极大的发展。虽然直流电机的出现最早可追溯到法拉第的碟型电动机,但由于之后的交流电日益普及,直流电动机的发展随之减缓。直到20世纪60年代,随着SCR技术的发明与普及,各类绝缘材料,磁铁材料,碳刷的改良,以及工业自动化技术的发展,再加上变速控制的日益增加的需求,直流电动机得以再次快速发展。这一阶段应用的直流电机主要是有刷直流电机(Brushed DC,BDC),有刷直流电机由定子,转子两大部分结构组成,定子上有主磁极和电刷,转子上有换向器和电枢绕组。在直流电机工作时转子旋转,定子不动,通过电刷和电机转动的换向器来实现线圈上电枢电流的连续和交替变化,电枢电流产生的电枢磁场又会与定子的主磁场发生相互作用,产生变化的电磁转矩来驱动电机旋转。直流电动机具有调速性能好,控制简单等优点,在结合编码器、测速发电机、旋转变压器等新式传感装置之后可以构成满足高性能伺服设备的闭环控制系统。但是,有刷直流电机也有着天生的缺陷,由于换向器和电刷的存在,有刷直流电机的结构相对复杂,故障多,可靠性差,寿命短,维护的工作量较大,而且还容易产生换向火花进一步加重了电机的磨损和维护成本,甚至发生电机崩溃等危险事故,故不能用于易燃易爆的场合。

从上世纪80年代开始到现在为止,可以认为是伺服系统的第三个发展阶段。在此阶段的明显特征是,永磁同步电机发展为伺服系统的核心控制对象,电力电子技术、电机控制算法、永磁材料等各种新技术和新材料的飞速发展进一步促进了交流伺服电机的发展,很多材料和技术上的难题被相继克服。交流永磁同步电机是基于旋转磁场理论,以永磁体作为转子并靠其旋转产生相应的旋转磁场,在三相定子绕组内产生电枢反应进而产生三相感应电流的电动机。交流电机与有刷直流电机相比不需要周期换向,也没有电刷,就避免了产生换向火花,交流电机具有更好的过载和高转速性能,并可以应用于某些易燃易爆的场合。在现代控制理论的应用背景下,各种微型计算机技术诸如微型控制器(MCU)和高速数字信号处理器(DSP)的广泛应用并与交流永磁同步电机的结合发展出了以交流电机为核心的伺服系统,其性能与性价比与日俱增。交流伺服系统正朝着智能化、数字化、网络化的方向发展,并依靠其优良的运行性能取代直流伺服系统的地位。

3.2 伺服系统的研究现状

上世纪80年代之后,随着交流永磁电机在可靠性和精度等方面表示出来的优良性能日益显著,国内外的广大科研工作人员和许多伺服生产厂商对其给予的极大的关注与工作热情,在这些科研人员的不写努力下,交流永磁同步电机在伺服系统的领域内的各项研究取得了相当丰硕的科研成果并得到了世纪的应用,这极大地促进了在伺服系统领内的交流永磁同步电机的发展。

因永磁同步电机不使用励磁线圈而使用永磁体作为转子,其发展历程与电机中的磁介质材料的发展密切相关。永磁材料的发展主要分为三个阶段,第一阶段是在上世纪60年代,由美国科学家们发现了第一代的钐钴永磁材料;第二阶段是在上世纪80年代,此时出现了性能更优越第二代的永磁材料;第三阶段是在1983年,以美国的通用汽车公司成功研发出新型的永磁性材料为标志。在永磁材料不断发展的背景下,采用相应的永磁体的永磁同步电机也在不断发展。

由于发达国家的工业背景相对发展较早,所持有的工业技术也较为先进,伺服系统长期以来主要由日本、美国和德国等发达国家所主导,其中典型的有日本的安川、发那科、松下、三菱、富士等,德国的库卡、西门子、施耐德,瑞士的ABB,美国 GE、力士乐公司等,这些公司掌握着伺服系统行业的核心技术,主要经营上游领域,在全球市场占有巨大的市场份额。[3]

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