伺服系統(tǒng)報告

1、1、 相關(guān)概念伺服系統(tǒng)（servomechanism）又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。在機器人中，伺服驅(qū)動器控制電機的運轉(zhuǎn)。驅(qū)動器采用速度環(huán)，位置環(huán)，電流環(huán)三環(huán)閉環(huán)電路，內(nèi)部還設(shè)有錯誤檢出和保護電路。驅(qū)動器通過通信連接器，控制連接器，編碼連接器跟外部輸入信號和輸出信號相連。通信連接器主要用于跟電腦或控制器通信?？刂七B接器用于跟伺服控制器聯(lián)接，驅(qū)動器所需的輸

2、入信號、輸出信號、控制信號和一些方式選擇信號都通過該控制連接器傳輸，它是驅(qū)動器最為關(guān)鍵的連接器。編碼連接器跟電機編碼器連接，用于接收編碼器閉環(huán)反饋信號，即速度反饋和換向信號。伺服電機主要用于驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)越多，機器人的柔性和精準度越高，所需要使用的伺服電機的數(shù)量就越多。機器人對伺服電機的要求非常高，必須滿足快速響應、高起動轉(zhuǎn)矩、動轉(zhuǎn)矩慣量比大、調(diào)速范圍寬，要適應機器人的形體做到體積小、重量輕，還必須經(jīng)受頻繁的正反向和加減速運行等苛刻的條件，做到高可靠性和穩(wěn)定性。伺服電機分為直流、交流和步進，工業(yè)機器人用的較多的是交流。機器人用伺服電機2、 伺服系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀2.1視覺伺服系統(tǒng)隨著機器人

3、技術(shù)的迅猛發(fā)展,機器人承擔的任務更加復雜多樣,傳統(tǒng)的檢測手段往往面臨著檢測范圍的局限性和檢測手段的單一性.視覺伺服控制利用視覺信息作為反饋，對環(huán)境進行非接觸式的測量,具有更大的信息量，提高了機器人系統(tǒng)的靈活性和精確性,在機器人控制中具有不可替代的作用。視覺系統(tǒng)由圖像獲取和視覺處理兩部分組成,圖像的獲取是利用相機模型將三維空間投影到二維圖像空間的過程,而視覺處理則是利用獲取的圖像信息得到視覺反饋的過程。基本的相機模型主要包括針孔模型和球面投影模型,統(tǒng)一化模型是對球面模型的推廣,將各種相機的圖像映射到歸一化的球面上。視覺伺服中的視覺反饋主要有基于位置、圖像特征和多視圖幾何的方法。其中,基于位置的方

4、法將視覺系統(tǒng)動態(tài)隱含在了目標識別和定位中，從而簡化了控制器的設(shè)計，但是一般需要已知目標物體的模型，且對圖像噪聲和相機標定誤差較為敏感?；趫D像特征的視覺反饋構(gòu)造方法，其中基于特征點的方法在以往的視覺伺服中應用較為廣泛，研究較為成熟，但是容易受到圖像噪聲和物體遮擋的影響，并且現(xiàn)有的特征提取方法在發(fā)生尺度和旋轉(zhuǎn)變化時的重復性和精度都不是太好，在實際應用中存在較大的問題。因此，學者們提出了基于全局圖像特征的視覺反饋方法，利用更多的圖像信息對任務進行描述，從而增強視覺系統(tǒng)的魯棒性，但是模型較為復雜，控制器的設(shè)計較為困難，且可能陷入局部極小點。目前針對這一類系統(tǒng)的控制器設(shè)計的研究還比較少,一般利用局部線

5、性化模型進行控制,只能保證局部的穩(wěn)定性。多視圖幾何描述了物體多幅圖像之間的關(guān)系，間接反映了相機之間的幾何關(guān)系。相比于基于圖像特征的方法，多視圖幾何與笛卡爾空間的關(guān)系較為直接，簡化了控制器的設(shè)計。常用的多視圖幾何包括單應性、對極幾何以及三焦張量。2.2伺服系統(tǒng)控制技術(shù)現(xiàn)代的機器人伺服系統(tǒng)多采用交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，而且正在逐漸向數(shù)字化方向轉(zhuǎn)變。數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)五孔不入，如信號處理技術(shù)中的數(shù)字濾波、數(shù)字控制器，把功能更加強大的控制器芯片已經(jīng)各種智能處理模塊應用到工業(yè)機器人交流伺服系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)更好的控制性能。最近幾十年，由于微電子技術(shù)的進步，各種方便用戶開發(fā)的微控制器與數(shù)字信號處理器件大量涌現(xiàn)市場，

6、為各種先進的智能控制算法在控制系統(tǒng)中的應用提供了可能。如今，各種新型的伺服控制策略大量涌現(xiàn)，大有與傳統(tǒng)控制策略一較高低的趨勢下面簡單介紹幾種：1）矢量控制 矢量控制技術(shù)的提出，為交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的快速進步提供了理論支持。矢量控制技術(shù)的主要原理為：以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場作為參考系，將電動機定子矢量電流經(jīng)過兩次坐標變換分解為直軸電流和交軸電流分量，且使兩電流分量相互正交，同時對交直軸電流分量的幅值和相位進行控制，可以獲得像直流電機一樣優(yōu)越、甚至更好的動態(tài)控制性能。2）直接轉(zhuǎn)矩控制 德國專家提出“直接自控制”的高性能交流電動機控制策略，此種控制策略不需要像矢量控制那樣對電動機定子矢量電流進行大量而復雜的解耦

7、變換，再通過控制解耦獲得的交流電流分量來間接的控制電動機電磁轉(zhuǎn)矩，它采用定子磁場定向的控制方式，對交流電機的電磁轉(zhuǎn)矩進行直接控制。此方式只受電動機定子繞組阻值的影響，對其他參數(shù)的變動穩(wěn)態(tài)性好，解決了矢量控制受電動機本體參數(shù)影響大的缺點。開始有部分專家學者通過深入研究把直接轉(zhuǎn)矩控制理論引入到交流同步電動機當中，完成了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在交流同步電動機伺服驅(qū)動領(lǐng)域的最大突破。3）智能控制 智能控制理論是最近幾十年的新興學科，它的迅速發(fā)展為交流永磁伺服控制技術(shù)的進步注入了新鮮的血液。智能控制技術(shù)由于其自身的理論特點，在非線性控制領(lǐng)域中比經(jīng)典控制理論更具優(yōu)勢3、 伺服系統(tǒng)市場現(xiàn)狀3.1行業(yè)規(guī)模由于我國在

8、伺服系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展較晚難以與國外品牌競爭，直到2000年，中國加入WTO，中國企業(yè)在吸取國外先進技術(shù)經(jīng)驗的前提下，開始自主研發(fā)伺服系統(tǒng)。至此，中國的伺服系統(tǒng)的市場份額有所提高。到了2011年市場容量60多億元，比上年增長22.0%。2012年，由于國際經(jīng)濟的影響以及國內(nèi)供求問題導致伺服市場下滑14.9%。直到2013年下半年，伺服市場才開始逐步回暖，上升幅度在5%左右?，F(xiàn)在中國的伺服系統(tǒng)市場仍由國外企業(yè)占據(jù)大半壁江山。2011年我國伺服電機市場容量23多億元，比上年增長10.2%，伺服市場增長恢復穩(wěn)定，這得益于國家相關(guān)的經(jīng)濟政策。2012年伺服電機市場受國際經(jīng)濟疲軟和國內(nèi)需求不足、產(chǎn)能過剩影

9、響，市場下滑5.56%，近6年來首次出現(xiàn)下滑，且下滑幅度較大。2013年中國伺服電機市場上半年仍緩慢下滑，下半年觸底回溫，全年漲幅約8%。分析當前國內(nèi)用戶的購買因素，占前三位的是穩(wěn)定可靠性、價格和服務。這也說明目前國內(nèi)伺服電機市場還處在較低級的階段，對性能和功能的充分利用沒有擺在重要位置。從長遠來看，伺服廠商的關(guān)鍵成功因素應該是產(chǎn)品的性價比、可靠性、技術(shù)含量、以及市場份額和品牌影響力。一批國內(nèi)企業(yè)也在激烈的市場競爭中逐漸成長起來。伺服電機市場競爭激烈，品牌眾多，日資和歐美品牌市場份額約75%。其中安川、三菱、松下等日系品牌性能低于歐系，但可靠性和穩(wěn)定性強，性價比高，最適合國內(nèi)客戶需求，約占50

10、%的份額；西門子、倫茨、博世力士樂等歐系品牌過載能力、動態(tài)響應、驅(qū)動器開放性好，但價格昂貴，約有30%的份額；臺系品牌使用簡單，性能接近日系，在中低端發(fā)展較快。國產(chǎn)伺服電機技術(shù)落后，集中在低端。國產(chǎn)伺服電機起步較晚， 2000 年以后開始研發(fā)，在功能、性能和工藝方面和國外產(chǎn)品仍有較大的差距，尤其是沒有完全掌握自適應機械共振抑制技術(shù)、自適應低頻震動技術(shù)和慣量動態(tài)前饋技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。國產(chǎn)伺服電機以小功率的低端產(chǎn)品為主，以性價比的優(yōu)勢滿足中小型和經(jīng)濟型用戶的需求，高精度伺服電機還在技術(shù)攻關(guān)階段。分析當前國內(nèi)用戶的購買因素，占前三位的是穩(wěn)定可靠性、價格和服務。這也說明目前國內(nèi)伺服電機市場還處在較低級的

11、階段，對性能和功能的充分利用沒有擺在重要位置。從長遠來看，伺服廠商的關(guān)鍵成功因素應該是產(chǎn)品的性價比、可靠性、技術(shù)含量、以及市場份額和品牌影響力。展望未來，隨著伺服價格的不斷下降、伺服市場接受度不斷上升，中低端市場有非常大的增長空間，因此本土廠商仍將有很大作為。隨著需求的擴大和價格下行，性價比和滿足定制化需求越來越重要，高端品牌的市場份額逐漸下降，中低端市場快速增長，國產(chǎn)伺服電機面臨比較好的發(fā)展機遇。 國內(nèi)近年來也開展了大功率交流永磁同步電機及驅(qū)動部分基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化，且具備了一點的生產(chǎn)能力，但其動態(tài)性能、開放性和可靠性還需要更多的實際機器人項目應用進行驗證。國產(chǎn)品牌包括華中數(shù)控、蘭州電機、和時

12、利電機、廣州數(shù)控、南京蘇強電機、深圳雷賽電機等。匯川技術(shù)、埃斯頓等國內(nèi)運動控制廠商尚處于小批量試用階段。但伺服電機需要在高動態(tài)的環(huán)境中經(jīng)過長期大量的驗證，穩(wěn)定性沒有經(jīng)過驗證的國產(chǎn)伺服電機難以獲得客戶認可。3.2國內(nèi)伺服系統(tǒng)標桿企業(yè)北超伺服簡介北超伺服專注于制造電機與驅(qū)動、驅(qū)動與控制結(jié)合的機電一體化伺服系統(tǒng)，是國內(nèi)最大的主軸電機生產(chǎn)商之一。公司主要產(chǎn)品包括伺服電機和控制器等，2014 年收入占比26%和60%?？蛻糁饕性诟叨搜b備制造和新能源汽車領(lǐng)域，2014 年收入占比分別為65%和20%，此外，工業(yè)機器人也是公司未來發(fā)展的重點領(lǐng)域。2014 年公司收入為1.31 億元，同比增長39.8%，

13、凈利潤2752.95 萬元，同比增長144.1%，毛利率和凈利率維持在30%以上，且有向好的趨勢，得益于行業(yè)較高的技術(shù)水平。北超伺服分產(chǎn)品收入 北超伺服近年分產(chǎn)品毛利率北超伺服近年毛利率和凈利率3.3伺服系統(tǒng)行業(yè)壁壘分析：技術(shù)、客戶認可和資金伺服行業(yè)屬于技術(shù)密集型行業(yè)。伺服系統(tǒng)整合了多項關(guān)鍵技術(shù)，包括自動化控制技術(shù)、微電子技術(shù)、機電一體化技術(shù)和電機控制技術(shù)等，而且隨著下游行業(yè)的發(fā)展，需求者對伺服系統(tǒng)的要求也越來越高，伺服企業(yè)必須具備一定的技術(shù)優(yōu)勢才能在該行業(yè)生存下去?？蛻籼貏e看重產(chǎn)品穩(wěn)定性和售后服務。伺服系統(tǒng)直接影響整個工業(yè)設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，因此對其穩(wěn)定性的要求非常高，客戶通常會對伺服生產(chǎn)廠家進

14、行長期考察，才會確定合作關(guān)系。然而，對于新進入者而言，獲得客戶認可的難度很高。除了產(chǎn)品穩(wěn)定性之外，售后服務也是客戶非?？粗氐囊稽c，所以良好的售后服務也是伺服行業(yè)內(nèi)的企業(yè)必須去關(guān)注的。伺服系統(tǒng)的生產(chǎn)需要大規(guī)模的資金。在生產(chǎn)伺服系統(tǒng)的前期，企業(yè)需要投入大量資金，而且設(shè)備和生產(chǎn)工藝的磨合耗時較長，通常需要好幾年才能形成生產(chǎn)能力，再加上贏得客戶認可也需要耗費一定的時間，企業(yè)必須要有足夠的資金來支撐項目的運轉(zhuǎn)。4、 伺服系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的應用越來越廣，用戶對伺服驅(qū)動技術(shù)的要求越來越高?？偟膩碚f，伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個方面：1）集成化 目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來越多地

15、采用開關(guān)頻率很高的新型功率半導體器件，這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中。同一個控制單元，只要通過軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，就可以改變其性能，既可以使用電機本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以外接外部傳感器如位置、速度、力矩傳感器等，構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。高度的集成化顯著地縮小了整個控制系統(tǒng)的體積。2) 智能化 目前伺服內(nèi)部控制核心大都采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機（DSP），從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)數(shù)字化是其實現(xiàn)智能化的前提條件。伺服系統(tǒng)的智能化表現(xiàn)在以下幾個方面：系統(tǒng)的所有運行參數(shù)都可以通過人機對話的方

16、式由軟件來設(shè)置；其次它們都具有故障自診斷與分析功能；以及參數(shù)自整定的功能等。眾所周知，閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標的重要環(huán)節(jié)，也是需要耗費較多時間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運行，自動將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來，并自動實現(xiàn)其最優(yōu)化。3) 網(wǎng)絡(luò)化 伺服系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是綜合自動化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，是控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，現(xiàn)場總線是一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置之間實行雙向、串形、多結(jié)點的數(shù)字通信技術(shù)。現(xiàn)場總線現(xiàn)已被廣泛應用在伺服系統(tǒng)之間、伺服系統(tǒng)和其它外圍設(shè)備如人機界面HMI、可編程控制器PLC等信息交互傳輸?，F(xiàn)場總線有如下

17、幾個類型FF；ProfiBus、WorldFIP、ControlNet/DeviveNet、CAN等。這些通訊協(xié)議都為多軸實時同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驅(qū)動器集成進去，從而使伺服系統(tǒng)達到了分布、開放、互聯(lián)以及高可靠性。4）簡易化 這里所說的“簡”不是簡單而是精簡，是根據(jù)用戶情況，將用戶使用的伺服功能予以強化，使之專而精，而將不使用的一些功能予以精簡，從而降低了伺服系統(tǒng)成本，為客戶創(chuàng)造更多的收益，且通過精簡一些元器件，減少了資源的浪費從而利于環(huán)保。這里所說的“易”是指，伺服系統(tǒng)的軟件編程及操作是從用戶角度出發(fā)開發(fā)設(shè)計，力求簡單易行，使用戶調(diào)試時只需簡單。五、機器人伺服系統(tǒng)未來發(fā)展動力未來幾年，中國工業(yè)機器人市場將大幅度增長，而服務型機器人在世界各地各掀起熱浪，掃地機器人，擦玻璃機器市場如火如荼，