3.3 伺服壓力機的主要結構和伺服控制技術

3.3.1 伺服壓力機的結構簡介

伺服壓力機的結構主要由主傳動、執行機構和輔助機構等組成。伺服壓力機主傳動機構的主要作用是將鍛壓所需的能量從伺服電動機傳到執行機構，常見的傳動方式有齒輪傳動、帶傳動、螺桿傳動和液壓傳動等。執行機構的主要作用是帶動滑塊做往復運動，完成鍛壓過程，常見的執行機構有曲柄-滑塊機構和曲柄楔塊機構等。輔助機構的主要作用是提高交流伺服壓力機工作的可靠性、擴大伺服壓力機的工藝用途等，常見的輔助機構有平衡缸、制動器、頂料裝置、位置檢測裝置等。

由于伺服壓力機一般指采用伺服電動機驅動工作機構工作的壓力機，而工作機構又有很多種選擇，因此伺服壓力機在結構形式的選擇上具有多樣性。目前國內外已經開放和生產的伺服壓力機按傳動方式可分為以下幾種：

（1）伺服電動機直接驅動滑塊 多采用直線伺服電動機，直接輸出直線運動。

（2）伺服電動機直接驅動曲軸 低速大轉矩伺服電動機直接與曲軸相連，不需要減速機構和離合器等，結構簡單。

（3）伺服電動機+螺母螺桿機構 行程長，在行程內任何位置都可以承受載荷。

（4）伺服電動機+帶輪+螺母螺桿機構 鍛壓能力強，在行程內任何位置都可以承受載荷。

（5）伺服電動機+螺桿+肘桿 具有增力效果，但只能在下死點附近達到公稱壓力。

（6）伺服電動機+蝸輪蝸桿+肘桿 行程長度一定且行程速度受限。

（7）伺服電動機+齒輪減速+曲柄軸+肘桿 增力效果好，且滑塊速度可控。

（8）伺服電動機+齒輪軸+齒輪+曲軸 和傳統的曲柄壓力機結構相似，但沒有飛輪和離合器等。

3.3.2 伺服壓力機的典型產品結構

日本小松的HCP3000型交流伺服壓力機的兩臺伺服電動機布置在機身兩側，該交流伺服壓力機省掉了離合器與制動器以及復雜的減速傳動系統，如圖3-25所示。通過調速皮帶與滾珠絲杠的螺母相連，滾珠絲杠的下端安裝在滑塊上。伺服壓力機工作時，伺服電動機通過調速皮帶驅動滾珠絲杠旋轉，再通過滾柱絲杠將螺母的旋轉運動轉化為絲杠的直線運動，從而帶動滑塊做上下往復直線運動。

小松公司生產的H2F、H4F系列交流伺服壓力機整體采用雙邊布局，兩臺伺服電動機安裝在機身兩側，通過皮帶與滾珠絲杠的螺母相連，滾柱絲杠的末端與連桿機構連接，連桿機構的下端與滑塊相連，如圖3-26所示。伺服壓力機工作時，伺服電動機通過調速皮帶驅動滾珠絲杠旋轉，再通過滾柱絲杠將螺母的旋轉運動轉化為絲杠的直線運動，從而帶動連桿機構工作，使連桿機構下端帶動滑塊做上下往復直線運動。

日本小松公司生產的H1F系列伺服壓力機采用的工作機構為肘桿機構，如圖3-27所示。伺服電動機通過一級皮帶傳動和一級齒輪傳動與肘桿機構相連，肘桿機構下端通過導向柱塞式連桿與滑塊相連。伺服壓力機工作時，伺服電動機通過一級皮帶傳動和一級齒輪傳動實現減速增力，帶動肘桿機構做往復擺動，從而通過肘桿機構下端的導向柱塞式連桿帶動滑塊做上下往復直線運動，完成鍛壓工作。

日本網野公司（AMINO）研制的25000kN機械連桿伺服壓力機整體采用了雙邊布局，該交流伺服壓力機省掉了離合器與制動器以及復雜的減速傳動系統，如圖3-28所示。通過伺服電動機驅動螺母旋轉，又通過螺母螺桿運動副將螺母的旋轉運動轉化為螺桿的上下直線運動。螺桿的下端與具有增力效果的連桿機構相連，連桿機構的下端與滑塊相連。上下運動的螺桿帶動連桿機構做往復擺動，從而帶動滑塊做上下往復直線運動，完成鍛壓工作。

3.3.3 伺服控制技術

伺服壓力機所采用的交流伺服電動機有強耦合、時變、非線性等特點，為了能夠實現高性能的交流伺服系統，使系統具備快速的動態響應和優良的動、靜態性能，且對參數的變化和外界擾動具有不敏感性，控制策略的正確選擇發揮著至關重要的作用。優良的控制策略不但可以彌補硬件設計上的不足，而且能進一步提高系統的綜合性能。從交流電動機控制技術和系統控制策略來看，目前交流傳動系統的控制策略主要有以下幾種：

1．矢量變換控制

矢量變換控制采用了矢量變換的方法，通過把交流電動機的磁通與轉矩的控制解耦，將交流電動機的控制過程等效為直流電動機的控制過程，使交流調速系統的動態性能得到了顯著改善和提高，從而使交流調速取代直流調速成為可能。實踐證明，采用矢量變換控制的交流調速系統的優越性高于直流調速系統。但是矢量變換控制的缺點是：系統結構復雜、運算量大，而且對電動機的參數依賴性很大，難以保證完全解耦，影響系統性能。該技術一般適用于同步電動機的控制，尤其是對于交流永磁同步電動機的控制。

2．直接轉矩控制

直接轉矩控制（Direct Torque Control，簡稱DTC）是將矢量變換控制中以轉子磁通定向更換為以定子磁通定向，通過轉矩偏差和定子磁通偏差來確定電壓矢量，沒有復雜的坐標變換，在線計算量比較小，實時性較強。但它會引起轉矩脈動，帶積分環節的電壓型磁鏈模型在低速時誤差大，這都影響系統的低速性能。該技術一般用于異步電動機的控制中，但近幾年也開始探討用于開關磁阻電動機（SRM）的控制。

3．反饋線性化控制

反饋線性化控制是研究非線性控制系統的一種有效方法，它通過非線性狀態反饋和非線性變換，實現系統的動態解耦和全局線性化，從而從線性控制理論來設計，以使系統達到預期的性能指標。反饋線性化控制一般分為兩大類：①微分幾何反饋線性化方法，問題變換抽象，不利用工程應用；②動態逆控制，它采用非線性逆系統理論來設計控制律，有人也稱它為直接反饋線性化方法，該方法物理概念明確，數學關系簡單。

4．自適應控制

自適應控制能在系統運行過程中不斷提取有關模型的信息，使模型逐漸完善，所以是克服參數變化影響的有力手段，在交流電動機參數估計和提高系統動態特性方面有著廣泛的應用。常見的自適應控制方法主要有：模型參考自適應、參數辨識自校正控制以及新發展的各種非線性自適應控制。其中，在實際中應用較多的是模型參考自適應控制。

5．魯棒控制

魯棒控制是針對系統中存在一定范圍的不確定性，設計一個魯棒控制器，使得閉環系統在保持穩定的同時，保證一定的動態性能品質。它主要包括兩方面的內容：一是加拿大學者贊姆斯（G.Zames）在20世紀80年代初提出的H∞控制理論；二是以分析系統的魯棒穩定性和魯棒性能為基礎的系統魯棒性分析和設計，其中在控制系統中應用較多的是H∞控制。

6．智能控制

智能控制不依賴于或不完全依賴于控制對象的數學模型，能夠使系統中的不精確性和不確定性問題獲得可處理性、魯棒性。因此，近年來，交流傳動系統智能控制策略的研究受到控制界的重視。智能控制包括：模糊控制、神經控制、遺傳算法等，這些方法已在交流傳動系統等不同場合獲得了實際應用。

雖然將智能控制用于交流傳動系統的研究已取得了一些成果，但是有許多問題尚待解決，如智能控制器主要憑經驗設計，對系統性能（如穩定性和魯棒性）缺少客觀的理論預見性，且設計一個系統需獲取大量數據，設計出的系統容易產生振蕩；另外，交流傳動智能控制系統非常復雜，它的實現依賴于數字信號處理器（DSP）、現場可編程門陣列（FPGA）等電子器件的高速化。

根據對交流傳動系統一些新型控制策略實際應用情況的分析和論述，可以看出，每一種控制方法都是為了提高系統的靜態性能或動態性能或者兩者兼顧，每一種控制策略都有其特長但又都存在一些問題。因此，各種控制策略應當互相滲透和復合，克服單一策略的不足，結合形成復合控制策略，提高控制性能，更好地滿足各種應用的需要。復合控制策略的類型很多，有模糊神經網絡控制、模糊變結構控制、直接轉矩滑模變結構控制、自適應模糊控制等。隨著應用研究的發展，復合控制策略的類型必將不斷地衍生和發展，復合控制策略的優勢也將越來越明顯。今后在很長一段時間內主要是把各種控制理論加以綜合，走交叉學科復合控制的道路來解決實際問題。因此，為了使系統具有較高的動靜態性能及其魯棒性，尋找更合適更簡單的控制方法或改進現有的控制策略，是未來一段時間的研究重點。