3.3 伺服压力机的主要结构和伺服控制技术
3.3.1 伺服压力机的结构简介
伺服压力机的结构主要由主传动、执行机构和辅助机构等组成。伺服压力机主传动机构的主要作用是将锻压所需的能量从伺服电动机传到执行机构，常见的传动方式有齿轮传动、带传动、螺杆传动和液压传动等。执行机构的主要作用是带动滑块做往复运动，完成锻压过程，常见的执行机构有曲柄-滑块机构和曲柄楔块机构等。辅助机构的主要作用是提高交流伺服压力机工作的可靠性、扩大伺服压力机的工艺用途等，常见的辅助机构有平衡缸、制动器、顶料装置、位置检测装置等。
由于伺服压力机一般指采用伺服电动机驱动工作机构工作的压力机，而工作机构又有很多种选择，因此伺服压力机在结构形式的选择上具有多样性。目前国内外已经开放和生产的伺服压力机按传动方式可分为以下几种：
（1）伺服电动机直接驱动滑块 多采用直线伺服电动机，直接输出直线运动。
（2）伺服电动机直接驱动曲轴 低速大转矩伺服电动机直接与曲轴相连，不需要减速机构和离合器等，结构简单。
（3）伺服电动机+螺母螺杆机构 行程长，在行程内任何位置都可以承受载荷。
（4）伺服电动机+带轮+螺母螺杆机构 锻压能力强，在行程内任何位置都可以承受载荷。
（5）伺服电动机+螺杆+肘杆 具有增力效果，但只能在下死点附近达到公称压力。
（6）伺服电动机+蜗轮蜗杆+肘杆 行程长度一定且行程速度受限。
（7）伺服电动机+齿轮减速+曲柄轴+肘杆 增力效果好，且滑块速度可控。
（8）伺服电动机+齿轮轴+齿轮+曲轴 和传统的曲柄压力机结构相似，但没有飞轮和离合器等。
3.3.2 伺服压力机的典型产品结构
日本小松的HCP3000型交流伺服压力机的两台伺服电动机布置在机身两侧，该交流伺服压力机省掉了离合器与制动器以及复杂的减速传动系统，如图3-25所示。通过调速皮带与滚珠丝杠的螺母相连，滚珠丝杠的下端安装在滑块上。伺服压力机工作时，伺服电动机通过调速皮带驱动滚珠丝杠旋转，再通过滚柱丝杠将螺母的旋转运动转化为丝杠的直线运动，从而带动滑块做上下往复直线运动。
图3-25 小松HCP3000型交流伺服压力机
a）HCP3000型产品 b）HCP3000型产品结构示意图
小松公司生产的H2F、H4F系列交流伺服压力机整体采用双边布局，两台伺服电动机安装在机身两侧，通过皮带与滚珠丝杠的螺母相连，滚柱丝杠的末端与连杆机构连接，连杆机构的下端与滑块相连，如图3-26所示。伺服压力机工作时，伺服电动机通过调速皮带驱动滚珠丝杠旋转，再通过滚柱丝杠将螺母的旋转运动转化为丝杠的直线运动，从而带动连杆机构工作，使连杆机构下端带动滑块做上下往复直线运动。
图3-26 小松H2F、H4F系列交流伺服压力机
a）H2F型产品 b）H2F、H4F系列产品结构示意图
日本小松公司生产的H1F系列伺服压力机采用的工作机构为肘杆机构，如图3-27所示。伺服电动机通过一级皮带传动和一级齿轮传动与肘杆机构相连，肘杆机构下端通过导向柱塞式连杆与滑块相连。伺服压力机工作时，伺服电动机通过一级皮带传动和一级齿轮传动实现减速增力，带动肘杆机构做往复摆动，从而通过肘杆机构下端的导向柱塞式连杆带动滑块做上下往复直线运动，完成锻压工作。
图3-27 小松H1F系列交流伺服压力机
a）H1F型产品 b）H1F系列产品结构示意图
日本网野公司（AMINO）研制的25000kN机械连杆伺服压力机整体采用了双边布局，该交流伺服压力机省掉了离合器与制动器以及复杂的减速传动系统，如图3-28所示。通过伺服电动机驱动螺母旋转，又通过螺母螺杆运动副将螺母的旋转运动转化为螺杆的上下直线运动。螺杆的下端与具有增力效果的连杆机构相连，连杆机构的下端与滑块相连。上下运动的螺杆带动连杆机构做往复摆动，从而带动滑块做上下往复直线运动，完成锻压工作。
图3-28 25000kN机械连杆伺服压力机
a）产品图 b）原理结构
3.3.3 伺服控制技术
伺服压力机所采用的交流伺服电动机有强耦合、时变、非线性等特点，为了能够实现高性能的交流伺服系统，使系统具备快速的动态响应和优良的动、静态性能，且对参数的变化和外界扰动具有不敏感性，控制策略的正确选择发挥着至关重要的作用。优良的控制策略不但可以弥补硬件设计上的不足，而且能进一步提高系统的综合性能。从交流电动机控制技术和系统控制策略来看，目前交流传动系统的控制策略主要有以下几种：
1．矢量变换控制
矢量变换控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电动机的磁通与转矩的控制解耦，将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著改善和提高，从而使交流调速取代直流调速成为可能。实践证明，采用矢量变换控制的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。但是矢量变换控制的缺点是：系统结构复杂、运算量大，而且对电动机的参数依赖性很大，难以保证完全解耦，影响系统性能。该技术一般适用于同步电动机的控制，尤其是对于交流永磁同步电动机的控制。
2．直接转矩控制
直接转矩控制（Direct Torque Control，简称DTC）是将矢量变换控制中以转子磁通定向更换为以定子磁通定向，通过转矩偏差和定子磁通偏差来确定电压矢量，没有复杂的坐标变换，在线计算量比较小，实时性较强。但它会引起转矩脉动，带积分环节的电压型磁链模型在低速时误差大，这都影响系统的低速性能。该技术一般用于异步电动机的控制中，但近几年也开始探讨用于开关磁阻电动机（SRM）的控制。
3．反馈线性化控制
反馈线性化控制是研究非线性控制系统的一种有效方法，它通过非线性状态反馈和非线性变换，实现系统的动态解耦和全局线性化，从而从线性控制理论来设计，以使系统达到预期的性能指标。反馈线性化控制一般分为两大类：①微分几何反馈线性化方法，问题变换抽象，不利用工程应用；②动态逆控制，它采用非线性逆系统理论来设计控制律，有人也称它为直接反馈线性化方法，该方法物理概念明确，数学关系简单。
4．自适应控制
自适应控制能在系统运行过程中不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善，所以是克服参数变化影响的有力手段，在交流电动机参数估计和提高系统动态特性方面有着广泛的应用。常见的自适应控制方法主要有：模型参考自适应、参数辨识自校正控制以及新发展的各种非线性自适应控制。其中，在实际中应用较多的是模型参考自适应控制。
5．鲁棒控制
鲁棒控制是针对系统中存在一定范围的不确定性，设计一个鲁棒控制器，使得闭环系统在保持稳定的同时，保证一定的动态性能品质。它主要包括两方面的内容：一是加拿大学者赞姆斯（G.Zames）在20世纪80年代初提出的H∞控制理论；二是以分析系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能为基础的系统鲁棒性分析和设计，其中在控制系统中应用较多的是H∞控制。
6．智能控制
智能控制不依赖于或不完全依赖于控制对象的数学模型，能够使系统中的不精确性和不确定性问题获得可处理性、鲁棒性。因此，近年来，交流传动系统智能控制策略的研究受到控制界的重视。智能控制包括：模糊控制、神经控制、遗传算法等，这些方法已在交流传动系统等不同场合获得了实际应用。
虽然将智能控制用于交流传动系统的研究已取得了一些成果，但是有许多问题尚待解决，如智能控制器主要凭经验设计，对系统性能（如稳定性和鲁棒性）缺少客观的理论预见性，且设计一个系统需获取大量数据，设计出的系统容易产生振荡；另外，交流传动智能控制系统非常复杂，它的实现依赖于数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）等电子器件的高速化。
根据对交流传动系统一些新型控制策略实际应用情况的分析和论述，可以看出，每一种控制方法都是为了提高系统的静态性能或动态性能或者两者兼顾，每一种控制策略都有其特长但又都存在一些问题。因此，各种控制策略应当互相渗透和复合，克服单一策略的不足，结合形成复合控制策略，提高控制性能，更好地满足各种应用的需要。复合控制策略的类型很多，有模糊神经网络控制、模糊变结构控制、直接转矩滑模变结构控制、自适应模糊控制等。随着应用研究的发展，复合控制策略的类型必将不断地衍生和发展，复合控制策略的优势也将越来越明显。今后在很长一段时间内主要是把各种控制理论加以综合，走交叉学科复合控制的道路来解决实际问题。因此，为了使系统具有较高的动静态性能及其鲁棒性，寻找更合适更简单的控制方法或改进现有的控制策略，是未来一段时间的研究重点。