摘要：现如今，我国的国民经济在快速的发展，社会在不断的进步，伺服电机的控制离不开精确的转子位置信息，位置检测装置及传感技术的精度将直接影响伺服系统的整体性能。首先简要概述了伺服电机的分类以及对位置检测的技术要求，然后分别介绍了在现代伺服系统中常见的外置位置传感器、无位置传感技术、准无位置传感技术以及新发展的嵌入式位置检测4种位置检测技术，并对比总结了各位置检测技术的特点及应用适用性。最后根据伺服系统智能化、集成化等发展趋势，对伺服电机位置检测技术进行总结和展望。
关键词：伺服控制系统；伺服电机；发展
引言
随着科技不断进步，机器人产业已经获得了高速的发展，并且传统的检测技术已经无法满足机器人事业的发展需求。通过视觉伺服系统控制，可以提升机器人系统的准确性和灵活性。因此，探究机器人视觉系统与控制策略具有重要的价值。
1伺服控制系统机理综述
1.1伺服电机
伺服系统中使用的驱动电机具有以下特点：响应速度快、转动惯量大、定位准确等。这类电机被称为伺服电机，其专用驱动单元被称为伺服驱动单元，简称伺服。伺服内包含转矩（电流）、速度或位置闭环。伺服的工作原理是：在开环控制的交直流电机基础上，将位置和速度信号通过旋转编码器、旋转变压器等反馈给驱动器，形成负反馈的PID控制。伺服电机包含步进电机、交流电机、直流电机三类。直流伺服电机又分有刷和无刷电机。有刷电机结构简单，成本低，启动转矩大，调速范围广，控制简单，维护容易，缺点是会产生电磁干扰，对工作环境有要求，适用于成本低的民用场合。无刷电机的体积小，重量较轻，响应快，速度高，控制复杂，易智能化，免维护，效率高，电磁辐射小，寿命长，适用于各种环境。交流伺服电机是无刷电机，分同步和异步，同步电机可用于运动控制，其功率范围大，惯量大，最高转速低且随功率的增大而降低，适用于低速平稳的运行环境。
1.2伺服电机的主要种类及特点
1.2.1感应伺服电机
感应伺服电机又称为异步电机，具有转子的转速与磁场的同步转速存在差异的特点。感应伺服电机的三相对称定子绕组在通入三相对称电流后产生旋转磁场，并与转子绕组的感应电流共同作用产生电磁转矩，提供电机内部转换所需能量。按照转子绕组结构的不同，感应电机又分为笼型和绕线型两种类型。
1.2.2永磁伺服电机
永磁伺服电机（permanrntmagnetservomototr，PMSM）有方波和正弦波两种驱动形式，其中方波驱动的电动机为无刷直流电机，主要用于对伺服性能要求较低的简单调速驱动场合，而在大量高精度的伺服系统中主要采用的是以正弦波驱动的永磁交流伺服电机。简化的PMSM结构如图1所示，其中永磁直线伺服电机可以看成是旋转电机沿径向切开且展成平面而成，两者具有相同的工作原理。PMSM的定子绕组和普通的感应电机基本相同，通入激励后在空间产生旋转磁场并带动转子同步旋转。PMSM的转子结构是区别其他电机的主要特征，除了有内、外转子之分外，还有适用于新能源汽车驱动等特殊场合的双定子或双转子结构。同时，按照永磁体的不同充磁方向，PMSM还有径向充磁、平行充磁以及特殊Halbach阵列的区别，其中最常用的是径向充磁的内转子电机结构，这种电机的转子结构主要有表面贴装式、内置式（凸极式）及混合式等基本形式以及特殊的Halbach阵列结构，不同的转子结构对电机气隙磁密的波形、大小及制造成本有较大的影响。总的来说，永磁伺服电机对位置检测的技术要求一般是能在转速0～3000r/min内实现高精度的检测且结构尺寸越小、越紧凑越好。
.png)
图1永磁伺服电机的简化结构
1.3位置和转速传感器
伺服系统的传感器大致可分位置传感器和速度传感器、加速度传感器、电流传感器等。位置传感器有光电位置传感器、光纤传感器、电耦合器件、旋转变压器、磁尺传感器、感应同步器、光栅传感器等。速度传感器有脉冲编码器、光电传感器件等。常用的位置/速度传感器有旋转变压器、光电编码器以及磁性编码器。旋转变压器电路复杂，适用于高温环境，其速度元件可模拟输出信息，位置元件可实现相角数字化；光电编码器电路简单、不耐振动冲击，不适用于高温环境，其速度元件可数字输出信息，可增加脉冲提高精度，位置元件能实现相角细分；磁性编码器的处理电路简单，可多相输出，机械强度高，环境要求低，速度/位置元件与光电编码器的相同。
2伺服控制系统应用的发展
2.1自主控制系统研究进展
对机器人视觉伺服控制系统中的自主控制系统进行研究。其认为需要通过训练获取图像序列，在传统的视觉伺服系统中，机器人的自由度与图像特征数目相同，以便确保雅可比可以构成方阵，同时实验采取2-4个自由度，占据自由度较多的特征集为冗余特征，且通过冗余特征来控制噪声。另外设定值仅仅要求极其拍摄局部位置的图像，因而其适用于重复作业的机器人。如在操作过程中，以零件组装为例，工程师在控制机器人时，需要通过编程来控制伺服系统，机械臂通过视觉反馈的作用来重复完成任务。随着科技不断发展，学者对控制策略进行改进，发现利用其它相机拍摄、利用模态图像以及几何信息等均可以作为伺服系统的控制方式。
2.2人机协作系统研究进展
在研究人机协作系统时发现，对于机器人的控制，需要完成以下几点协作策略：首先，可以通过人机串级的方式来实现控制，人类负责控制上层的决策，视觉伺服系统决定机器人的运动情况，如水下遥控机器人等。其次，视觉伺服系统在控制中，需要加入对机器人的约束条件，在提升精度的基础上，降低自由度，这样可以强化人机协作。如在医疗中，可以将机器人作为辅助治疗体系。最后，可以采用人机切换控制。将人类主导和机器人自主主导部分结合起来，在分工控制的基础上，共同完成复杂的任务，这对于未来的发展具有积极的推进意义。
3伺服控制系统应用的发展
数字化、高精度、速度快、高性能是伺服运动控制系统的发展方向。19世纪中，先后诞生了直流传动和交流传动；20世纪50年代中期，晶闸管的出现，使交流电机控制技术飞速发展。20世纪70年代以前，凡是要求调速范围广，控制精度高，动态响应好的场合，几乎都采用直流电动机调速。不需要变速的电力传动系统采用交流电动机。20世纪80年代出现的直接转矩控制方法，使交流电机控制技术发展迅速。伺服控制系统最初用于火炮控制、船舶的自动驾驶及指挥仪。伺服控制系统现在被广泛用于导弹、飞船、天线的位置控制以及工业自动化等方面。伺服系统将来会朝以下几个方面发展：交流化、全数字化、高度集成化、智能化、网络化等。
结语
以交流伺服系统为主线，对伺服电机以及位置传感检测装置、技术进行了详细的阐述。同伺服系统的发展趋势一致，位置传感检测方法向着智能化、微型化、高精度等方向发展，因此这些检测方法可能有以下发展和应用：1）更优性能的无传感控制算法加速伺服系统一体化和集成化进程；2）准无传感技术结构简单、性价比高，扩展其在精度要求不高的交流伺服控制中应用；3）高精度和高分辨率的外置位置传感器是伺服系统永恒的追求；4）基于时栅技术的嵌入式位置检测新方法为极端环境下的位置检测技术提供了新思路和新方法，在追求结构多样化、一体化和集成化伺服系统的今天，将会取得更长足的发展。
参考文献：
[1]孙跃教授.交流伺服运动系统概述PPT[D].重庆：重庆大学，2016.
[2]李成桐，张敬宾.新一代伺服系统的现状与展望[J].国内外机电一体化技术，1999（2）：110.
[3]李雅轩.电力电子技术[M].北京：中国电力出版社，2007.
论文作者:潘龙,魏绪斌
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/11
标签：位置论文; 伺服电机论文; 永磁论文; 伺服系统论文; 传感器论文; 转子论文; 电机论文; 《电力设备》2018年第21期论文;