1 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本概念和應(yīng)用

　　圍繞伺服驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展了多種伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。電氣伺服技術(shù)應(yīng)用廣泛，主要原因是控制方便靈活，容易獲得驅(qū)動(dòng)能源，沒(méi)有公害污染，維護(hù)也比較容易。特別是隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，它為電氣伺服技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景。

　　伺服系統(tǒng)一是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)值(或給定值)任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服的主要任務(wù)是按控制命令的要求，對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力距、速度和位置控制得非常靈活方便。伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它由位置檢測(cè)部分、誤差放大部分、執(zhí)行部分及被控對(duì)象組成。

　　伺服系統(tǒng)的性能要求：伺服系統(tǒng)必須具備可控性好，穩(wěn)定性高和速應(yīng)性強(qiáng)等基本性能。可控性好是指信號(hào)消失以后，能立即自行停轉(zhuǎn)；穩(wěn)定性高是指轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)距的增加而均勻下降；速應(yīng)性強(qiáng)是指反應(yīng)快、靈敏、響態(tài)品質(zhì)好。

　　伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)綜合了伺服電動(dòng)機(jī)、角位移傳感器和伺服驅(qū)動(dòng)控制器的最新成就，與采用新型電力電子器件、專(zhuān)用集成電路和新的控制算法的交流伺服驅(qū)動(dòng)器相匹配，組成新型高性能機(jī)電一體化產(chǎn)品。這種系統(tǒng)以?xún)H僅數(shù)年的成長(zhǎng)期迅速進(jìn)入鼎盛階段，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域及現(xiàn)代軍事裝備中獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。伺服驅(qū)動(dòng)裝置作為伺服機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，無(wú)論是數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、冶金、化工設(shè)備、雷達(dá)以及各種工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程中數(shù)控裝置，其執(zhí)行部分均使用了各種數(shù)字式或模擬式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它的功率不大，由幾瓦到幾十千瓦，但卻是一項(xiàng)關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)。上述設(shè)備的性能和工作可靠性、經(jīng)濟(jì)性，均與所用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有直接關(guān)系。

　　伺服系統(tǒng)的發(fā)展緊密地與伺服電動(dòng)機(jī)的不同發(fā)展階段相聯(lián)系，伺服電動(dòng)機(jī)至今已有五十多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段：第一個(gè)階段是以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓伺服馬達(dá)或以功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)為中心的時(shí)代，伺服系統(tǒng)的位置控制為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)；第二個(gè)階段是直流伺服電動(dòng)機(jī)的誕生和全盛發(fā)展的時(shí)代，由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，很多高性能驅(qū)動(dòng)裝置采用了直流電動(dòng)機(jī)，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開(kāi)環(huán)系統(tǒng)發(fā)展成為閉環(huán)系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用領(lǐng)域，永磁式直流電動(dòng)機(jī)占統(tǒng)治地位，其控制電路簡(jiǎn)單，無(wú)勵(lì)磁損耗，低速性能好；第三個(gè)階段在20世紀(jì)90年代，是以機(jī)電一體化作為背景的，由于伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其永磁材料、控制技術(shù)的突破性進(jìn)展，出現(xiàn)了無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)(方波驅(qū)動(dòng))，交流伺服電動(dòng)機(jī)(正弦波驅(qū)動(dòng))等種種新型電動(dòng)機(jī)。因?yàn)槲㈦娮蛹夹g(shù)的快速發(fā)展，電路的集成度越來(lái)越高，對(duì)伺服系統(tǒng)產(chǎn)生了很重要的影響，交流伺服系統(tǒng)的控制方式迅速向微機(jī)控制方向發(fā)展，并由硬件伺服轉(zhuǎn)向軟件伺服，智能化的軟件伺服將成為伺服控制的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。伺服系統(tǒng)控制器的實(shí)現(xiàn)方式在數(shù)字控制中也在由硬件方式向著軟件方式發(fā)展；在軟件方式中也是從伺服系統(tǒng)的外環(huán)向內(nèi)環(huán)、進(jìn)而向接近電動(dòng)機(jī)環(huán)路的更深層發(fā)展。從伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品當(dāng)前的應(yīng)用來(lái)看，直流伺服產(chǎn)品正逐漸減少，交流伺服產(chǎn)品則日漸增加，市場(chǎng)占有率逐步擴(kuò)大。在實(shí)際應(yīng)用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服產(chǎn)品已經(jīng)成為工廠自動(dòng)化等各個(gè)領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品。伺服系統(tǒng)在機(jī)電設(shè)備中具有重要的地位，高性能的伺服系統(tǒng)可以提供靈活、方便、準(zhǔn)確、快速的驅(qū)動(dòng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和整個(gè)工業(yè)的不斷發(fā)展，拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是用交流伺服驅(qū)動(dòng)取代傳統(tǒng)的液壓、直流、步進(jìn)和AC變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，以便使系統(tǒng)性能達(dá)到一個(gè)全新的水平，包括更短的周期、更高的生產(chǎn)率、更好的可靠性和更長(zhǎng)的壽命。

2 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類(lèi)及其特性

　　伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的種類(lèi)：通常根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)的種類(lèi)來(lái)分類(lèi)，有電氣式、油壓式或電氣一油壓式三種。伺服系統(tǒng)若按功能來(lái)分，則有計(jì)量伺服和功率伺服系統(tǒng)；模擬伺服和功率伺服系統(tǒng)；位置伺服和加速度伺服系統(tǒng)等。電氣式伺服系統(tǒng)根據(jù)電氣信號(hào)可分為DC直流伺服系統(tǒng)和AC交流伺服系統(tǒng)。AC交流伺服系統(tǒng)又有異步電機(jī)伺服系統(tǒng)和同步電機(jī)伺服系統(tǒng)兩種。交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型來(lái)分：永磁同步(SM型)電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步(IM型)電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)。其中，永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能，并可實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動(dòng)的要求。隨著永磁材料性能的大幅度提高和價(jià)格的降低，其在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，目前已成為交流伺服系統(tǒng)的主流。感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)由于感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，制造容易，價(jià)格低廉，因而具有很好的發(fā)展前景，代表了將來(lái)伺服技術(shù)的方向。但由于該系統(tǒng)采用矢量變換控制，相對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)控制比較復(fù)雜，而且電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)還存在著效率低、發(fā)熱嚴(yán)重等有待克服的技術(shù)問(wèn)題，目前并未得到普遍應(yīng)用。

　　交流伺服系統(tǒng)根據(jù)其處理信號(hào)的方式不同，可以分為模擬式伺服、數(shù)字模擬混合式伺服和全數(shù)字式伺服；如果按照使用的伺服電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)不同，又可分為兩種：一種是用永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，包括方波永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)和正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)；另一種是用鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)。二者的不同之處在于永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中需要采用磁極位置傳感器，而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中含有滑差頻率計(jì)算部分。若采用微處理器軟件實(shí)現(xiàn)伺服控制，可以使永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)和鼠籠型異步伺服電動(dòng)機(jī)使用同一套伺服放大器。

　　目前，伺服系統(tǒng)的數(shù)字控制大都是采用硬件與軟件相結(jié)合的控制方式，其中軟件控制方式一般是利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)的。這是因?yàn)榛谖C(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字伺服控制器與模擬伺服控制器相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)：能明顯地降低控制器硬件成本；速度更快、功能更新的新一代微處理機(jī)不斷涌現(xiàn)，硬件費(fèi)用會(huì)變得很便宜；體積小、重量輕、耗能少，可顯著改善控制的可靠性；集成電路和大規(guī)模集成電路的平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)大大長(zhǎng)于分立元件電子電路；數(shù)字電路溫度漂移小，也不存在參數(shù)的影響，穩(wěn)定性好；在電路集成過(guò)程中采用了一些屏蔽措施，可以避免電力電子電路中過(guò)大的瞬態(tài)電流、電壓引起的電磁干擾問(wèn)題，因此可靠性比較高；采用微處理機(jī)的數(shù)字控制，使信息的雙向傳遞能力大大增強(qiáng)，容易和上位系統(tǒng)機(jī)聯(lián)運(yùn)，可隨時(shí)改變控制參數(shù)；可以設(shè)計(jì)適合于眾多電力電子系統(tǒng)的統(tǒng)一硬件電路，其中軟件可以模塊化設(shè)計(jì)，拼裝構(gòu)成適用于各種應(yīng)用對(duì)象的控制算法；以滿(mǎn)足不同的用途。軟件模塊可以方便地增加、更改、刪減，或者當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)變化時(shí)徹底更新；提高了信息存貯、監(jiān)控、診斷以及分級(jí)控制的能力，使伺服系統(tǒng)更趨于智能化；隨著微機(jī)芯片運(yùn)算速度和存貯器容量的不斷提高，性能優(yōu)異但算法復(fù)雜的控制策略有了實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

3 步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)的使用性能

　　步迸電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似，但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。

　　兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.60、1.8。，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.720、0.36。。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°／10 000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131 072個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為3600／131 072=9.89 s。是步距角為1.8。步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量的1／655。

　　步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能(FFr)，可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。

　　步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300—600 RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速(一般為2 000 rpm或3 000 rpm)以?xún)?nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。

　　步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步迸電機(jī)因?yàn)闆](méi)有這種過(guò)載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。

　　步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，起動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為實(shí)用。

　　步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要200～400 Ills。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA 400 W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3 000 rpm僅需幾毫秒，可用于要求快速起停的控制場(chǎng)合。

　　綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。

4 伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　由于伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛，市場(chǎng)上的相關(guān)產(chǎn)品種類(lèi)很多，從普通電機(jī)、變頻電機(jī)、伺服電機(jī)、變頻器、伺服控制到運(yùn)動(dòng)控制器、單軸控制器、多軸控制器、可編程控制器、上位控制單元乃至車(chē)問(wèn)和廠級(jí)監(jiān)控工作站等一應(yīng)俱全。

隨著永磁材料制造工藝的不斷完善，新一代的伺服電機(jī)大都采用了最薪的銣鐵硼材料，該材料的剩余磁密、矯頑力和最大磁能積均好于其它永磁材料，再加上合理的磁極、磁路及電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大大地提高了電機(jī)的性能，同時(shí)又縮小了電機(jī)的外形尺寸。薪一代的伺服電機(jī)大都采用了新型的位置編碼器，這種位置編碼器的信號(hào)線數(shù)量從9根減少到5根，并支持增量型和絕對(duì)值型兩種類(lèi)型，通信速率達(dá)4 M／s，通信周期為62.5μs，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為12位，編碼器分辨率為20 bit／rev，即每轉(zhuǎn)生成100萬(wàn)個(gè)脈沖，最高轉(zhuǎn)速達(dá)6 000 r／min，編碼器電源電流僅為16斗A。伺服電機(jī)按照容量可以分為超小型(MINI型)、小容量型、中容量型和大容量型。超小容量型的功率范圍為10—20 W，小容量型的功率范圍為30～750 W，中容量型的功率范圍為300～15 kW，大容量型的功率范圍為22～55 kW。伺服電機(jī)的供電電壓范圍從100～400 V(單相／三相)。

　　傳統(tǒng)的模擬控制雖然具有連續(xù)性好、響應(yīng)速度快及成本低的優(yōu)點(diǎn)，但也有難以克服的缺點(diǎn)，如系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy，容易受到環(huán)境溫度變化的影響而產(chǎn)生漂移，難以實(shí)現(xiàn)柔性化設(shè)計(jì)，缺乏實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計(jì)算的能力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化控制理論指導(dǎo)下的控制算法等。所以現(xiàn)代伺服控制均采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，伺服控制系統(tǒng)的主要理論也采用了現(xiàn)代矢量控制思想，它實(shí)現(xiàn)了電流向量的幅值控制和相位控制。為了提高產(chǎn)品的性能，新一代的伺服控制器采用了多種新技術(shù)、新工藝，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在電流環(huán)路中采用了d—q軸變換電流單元，在新的控制方式中，主CPU的運(yùn)算量得以減少，通過(guò)硬件來(lái)進(jìn)行電流環(huán)控制，即將控制算法固化在LSI專(zhuān)用硬件環(huán)路中。通過(guò)采用高速的d—q軸變換電流單元，使電流環(huán)的轉(zhuǎn)矩控制精度有了進(jìn)一步的提高，實(shí)現(xiàn)了在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)均能保持良好的性能。采用了脈沖編碼器倍增功能，新的控制算法使位置控制的整定時(shí)間縮短為原來(lái)的三分之一。速度控制環(huán)采用速度實(shí)時(shí)檢測(cè)控制算法，是電機(jī)的低速性能得到進(jìn)一步提高，速度波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)降到最低。采用在線自動(dòng)鎖定功能，使伺服系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間縮短，操作更加簡(jiǎn)化。采用主回路與控制回路進(jìn)行電氣隔離的結(jié)構(gòu)，使操作及故障檢測(cè)更加方便安全，供電電源電壓從100 V擴(kuò)展到400 V(單相／三相)。伺服控制一般均采用從電機(jī)軸端的位置編碼器采集位置信號(hào)進(jìn)行反饋，在受控執(zhí)行機(jī)械部分沒(méi)有反饋采樣信號(hào)，即半閉環(huán)的控制方式。目前的新產(chǎn)品則采用全閉環(huán)的控制方式，使機(jī)械加工誤差、齒輪間隙、結(jié)構(gòu)受力彈性變形等誤差所造成的影響在伺服控制器中通過(guò)計(jì)算完成修正。用RICS(精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī)系統(tǒng))技術(shù)，使CPU的數(shù)據(jù)處理能力由8位、16位提高到32位，微處理器的主頻提高到百兆以上。

　　隨著工業(yè)機(jī)械化設(shè)備對(duì)高速化、高精度化和小型化以及多品種小批量化、高可靠性、免維護(hù)性能要求的提高，上位機(jī)控制群得以廣泛應(yīng)用。從上層的可編程控制器(PLC)、運(yùn)動(dòng)控制器、機(jī)床CNC控制器，可一直連到底層的通用輸入／輸出(I／O)控制單元和視覺(jué)傳感系統(tǒng)。編程語(yǔ)言有梯形圖、NC語(yǔ)言、SFC語(yǔ)言、運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言等，均可按照用戶(hù)要求靈活配置。系統(tǒng)可控制軸數(shù)從單軸到可支持多達(dá)44軸，控制器可以連接從模擬信號(hào)到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的各種信號(hào)類(lèi)型，可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造設(shè)備、加工機(jī)械、搬運(yùn)機(jī)械、卷?yè)P(yáng)機(jī)械等，具有很高的性能價(jià)格比。

5 伺服控制系統(tǒng)逐漸成為工業(yè)設(shè)備的重要驅(qū)動(dòng)源

　　早在20世紀(jì)70年代，小慣量的伺服直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)實(shí)用化了，交流伺服系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)展，并逐步實(shí)用化，AC伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣，并且還有取代DC伺服系統(tǒng)的趨勢(shì)成為電氣伺服系統(tǒng)的主流。永磁轉(zhuǎn)子的同步伺服電動(dòng)機(jī)由于永磁材料不斷提高，價(jià)格不斷下降，控制又比異步電機(jī)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)高性能的緣故，所以永磁同步電機(jī)的AC伺服系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛。目前，在交流同步伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，普通應(yīng)用的交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)有兩大類(lèi)。一類(lèi)稱(chēng)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，它要求將方波電流直人定子繞組(BLDCM)。另一類(lèi)稱(chēng)為三相永磁同步電動(dòng)機(jī)，它要求輸入定子繞組的電源仍然是三相正弦波形(PM·SM)。

　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)，用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極，將原直流電動(dòng)機(jī)的電樞變?yōu)槎ㄗ?。有刷直流電?dòng)機(jī)是依靠機(jī)械換向器將直流電流轉(zhuǎn)換為近似梯形波的交流電流供給電樞繞組，而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)是將方波電流(實(shí)際上也是梯形波)直接輸入定子。將有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子顛倒一下，并采用永磁轉(zhuǎn)子，就可以省去機(jī)械換向器和電刷，由此得名無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。BLDCM定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波，為了產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，要求功率逆變器向BLDCM定子輸入三相對(duì)稱(chēng)方波電流，而SPWM、PM、SM定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為近似正弦波，需要向SPWM、PM、SM定子輸入三相對(duì)稱(chēng)正弦波電流。

　　永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)來(lái)自電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵，永久磁鐵的特性在很大程度上決定了電機(jī)的特性。在轉(zhuǎn)子上安裝永磁鐵的方式有兩種。一種是將成形永久磁鐵裝在轉(zhuǎn)子表面，即所謂外裝式；另一種是將形成永久磁鐵埋入轉(zhuǎn)子里面，即所謂內(nèi)裝式。永久磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種。根據(jù)確定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的每相勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的分布不同，三相永磁同步電動(dòng)機(jī)可分為兩種類(lèi)型：正弦波型和方波型永磁同步電機(jī)，前者每相勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)分布是正弦波狀，后者每相勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)分布呈方波狀，根據(jù)子路結(jié)構(gòu)和永磁體形狀的不同而不同。對(duì)于徑向勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，永磁體直接面向均勻氣隙，如果采用系統(tǒng)永磁材料，由于稀土永磁的取向性好，可以方便地獲得具有較好方波形狀的氣隙磁場(chǎng)。對(duì)于采用非均勻氣隙或非均勻磁化方向長(zhǎng)度的永磁體的徑向勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，氣隙磁場(chǎng)波形可以實(shí)現(xiàn)正弦分布。綜上所述兩類(lèi)永磁AC同步伺服電動(dòng)機(jī)的差異歸納如下：控制原理相似，給定指令信號(hào)加到AC伺服系統(tǒng)的輸入端，電動(dòng)機(jī)軸上位置反饋信號(hào)與給定位置相比較，根據(jù)比較結(jié)果控制伺服的運(yùn)動(dòng)，直至達(dá)到所要求的位置為止。PM、SM和BLDCM二類(lèi)伺服系統(tǒng)構(gòu)成的基本思路是一致的。

　　兩種永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)比較而言，方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有控制簡(jiǎn)單、成本低、檢測(cè)裝置簡(jiǎn)單、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)容易等優(yōu)點(diǎn)。但是方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)原理上存在固有缺陷，因電樞中電流和電樞磁勢(shì)移動(dòng)的不連續(xù)性而存在電磁脈動(dòng)，而這種脈動(dòng)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生噪聲，在中低速又是平穩(wěn)的力矩驅(qū)動(dòng)的主要障礙。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)又使得電機(jī)速度控制特性惡化，從而限制了由其構(gòu)成的方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)在高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合下的應(yīng)用(尤其是在低速直接驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合)。因此，對(duì)于一般性能的電伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，選用方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及相應(yīng)的控制方式。而PM、SM伺服系統(tǒng)要求定子輸入三相正弦波電流，可以獲得更好的平穩(wěn)性，具有更優(yōu)越的低速伺服性能。因而廣泛用于數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人等高性能高精度的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

　　目前，基于稀土永磁體的交流永磁伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能提供最高水平的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和扭矩密度。所以拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是用交流伺服驅(qū)動(dòng)取替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓、直流和步進(jìn)調(diào)速驅(qū)動(dòng)，以便使系統(tǒng)性能達(dá)到一個(gè)全新的水平，包括更短的周期、更高的生產(chǎn)率、更好的可靠性和更長(zhǎng)的壽命。因此，交流伺服這樣一種扮演重要支柱技術(shù)角色的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在許多高科技領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，如激光加工、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、及柔性制造系統(tǒng)等。

　　交流伺服系統(tǒng)作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的重要驅(qū)動(dòng)源之一，是工業(yè)自動(dòng)化不可缺少的基礎(chǔ)技術(shù)。伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過(guò)程。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)類(lèi)型分為直流(DC)和交流(AC)伺服系統(tǒng)。上世紀(jì)無(wú)刷電機(jī)和直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，并在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和機(jī)械設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。但直流伺服電機(jī)存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)，在運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機(jī)械設(shè)備的精度，難以應(yīng)用到高速及大容量的場(chǎng)合，機(jī)械換向器則成為直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

　　隨著微處理器技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機(jī)永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價(jià)格比的日益提高，交流伺服技術(shù)一交流伺服電機(jī)和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服電機(jī)克服了直流伺服電機(jī)存在的電刷、換向器等機(jī)械部件所帶來(lái)的各種缺點(diǎn)，特別是交流伺服電機(jī)的過(guò)負(fù)荷特性和低慣性體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。

6 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向

　　近10年來(lái)，永磁同步動(dòng)機(jī)性能快速提高，與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和普通同步電動(dòng)機(jī)相比，其控制簡(jiǎn)單、良好的低速運(yùn)行性能及較高的性?xún)r(jià)比等優(yōu)點(diǎn)使得永磁無(wú)刷同步電動(dòng)機(jī)逐漸成為交流伺服系統(tǒng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服領(lǐng)域。而交流異步伺服系統(tǒng)仍主要集中在性能要求不高的、大功率伺服領(lǐng)域。

　　現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字化的轉(zhuǎn)變，數(shù)字控制環(huán)已經(jīng)無(wú)處不在，比如換相、電流、速度和位置控制；采用新型功率半導(dǎo)體器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服專(zhuān)用模塊也不足為奇。國(guó)際廠商伺服產(chǎn)品每5年就會(huì)換代，新的功率器件或模塊每2～2．5年就會(huì)更新一次，新的軟件算法則日新月異，總之產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短。近些年數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣，用戶(hù)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的要求也越來(lái)越高。總結(jié)國(guó)內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線，結(jié)合市場(chǎng)需求的變化，可以從以下方面看到一些最新的發(fā)展趨勢(shì)。

　　直接驅(qū)動(dòng)包括采用盤(pán)式電機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)和采用直線電機(jī)的線性伺服驅(qū)動(dòng)，由于消除了中問(wèn)傳遞誤差，從而實(shí)現(xiàn)了高速化和高定位精度。直線電機(jī)容易改變形狀的特點(diǎn)可以使采用線性直線機(jī)構(gòu)的各種裝置實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化。采用更高精度的編碼器(每轉(zhuǎn)百萬(wàn)脈沖級(jí))，更高采樣精度和數(shù)據(jù)位數(shù)、速度更快的DSP，無(wú)齒槽效應(yīng)的高性能旋轉(zhuǎn)電機(jī)、直線電機(jī)，以及應(yīng)用自適應(yīng)、人工智能等各種現(xiàn)代控制策略，不斷將伺服系統(tǒng)的指標(biāo)提高。

　　電動(dòng)機(jī)、反饋、控制、驅(qū)動(dòng)、通訊的縱向一體化成為當(dāng)前小功率伺服系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。有時(shí)我們稱(chēng)這種集成了驅(qū)動(dòng)和通訊的電機(jī)叫智能化電機(jī)，有時(shí)我們把集成了運(yùn)動(dòng)控制和通訊的驅(qū)動(dòng)器叫智能化伺服驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)、驅(qū)動(dòng)和控制的集成使三者從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)行、維護(hù)都更緊密地融為一體。但是這種方式面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)(如可靠性)和工程師使用習(xí)慣的挑戰(zhàn)，因此很難成為主流，在整個(gè)伺服市場(chǎng)中是一個(gè)很小、有特色的部分。

　　通用型驅(qū)動(dòng)器配置有大量的參數(shù)和豐富的菜單功能，便于用戶(hù)在不改變硬件配置的條件下，方便地設(shè)置成V／F控制、無(wú)速度傳感器開(kāi)環(huán)矢量控制、閉環(huán)磁通矢量控制、永磁無(wú)刷交流伺服電動(dòng)機(jī)控制及再生單元等五種工作方式，適用于各種場(chǎng)合，可以驅(qū)動(dòng)不同類(lèi)型的電機(jī)，比如異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，也可以適應(yīng)不同的傳感器類(lèi)型，甚至無(wú)位置傳感器?？梢允褂秒姍C(jī)本身配置的反饋構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)，也可以通過(guò)接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　伺服技術(shù)將繼續(xù)迅速地由DC伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向AC伺服系統(tǒng)。從目前國(guó)際市場(chǎng)的情況看，幾乎所有的新產(chǎn)品都是AC伺服系統(tǒng)。在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，AC伺服電機(jī)的市場(chǎng)占有率已超過(guò)80％，在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)AC伺服電機(jī)的廠家也越來(lái)越多，正在逐步超過(guò)生產(chǎn)DC伺服電機(jī)的廠家?？梢灶A(yù)見(jiàn)，不久的將來(lái)，除了在某些微型電機(jī)領(lǐng)域之外，AC伺服電機(jī)將完全取代DC伺服電機(jī)。

　　采用新型高速微處理器和專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)(DSP)的伺服控制單元將全面取代模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)方法成為可能。新的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個(gè)模塊的做法，代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。同一個(gè)控制單元，只要通過(guò)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(jī)本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過(guò)接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

　　智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢(shì)，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種高級(jí)的工業(yè)控制裝置當(dāng)然也不例外?，F(xiàn)代交流伺服驅(qū)動(dòng)器都具備參數(shù)記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數(shù)進(jìn)口驅(qū)動(dòng)器都具備負(fù)載慣量測(cè)定和自動(dòng)增益調(diào)整功能，有的可以自動(dòng)辨識(shí)電機(jī)的參數(shù)，自動(dòng)測(cè)定編碼器零位，有些則能自動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)抑止。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)等控制功能和驅(qū)動(dòng)結(jié)合在一起，對(duì)于伺服用戶(hù)來(lái)說(shuō)，則提供了更好的體驗(yàn)。最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設(shè)計(jì)為智能型產(chǎn)品，他們的智能化特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：具有參數(shù)記憶功能。系統(tǒng)的所有參數(shù)都可以通過(guò)人機(jī)對(duì)話的方式由軟件來(lái)設(shè)置，保存在伺服單元內(nèi)部，通過(guò)通信接口，這些參數(shù)甚至可以在運(yùn)行途中由上位計(jì)算機(jī)加以修改；具有故障自診斷與分析功能。無(wú)論什么時(shí)候，只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會(huì)將故障的類(lèi)型以及可能引起故障的原因通過(guò)用戶(hù)面板清楚地顯示出來(lái)，這就簡(jiǎn)化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性；具有參數(shù)自整定的功能。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(biāo)的重要環(huán)節(jié)，帶有自整定功能的伺服單元可以通過(guò)幾次試運(yùn)行自動(dòng)將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來(lái)，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)化。

　　在國(guó)外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動(dòng)化(簡(jiǎn)稱(chēng)FA)工程技術(shù)在最近十年來(lái)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢(shì)頭。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口和專(zhuān)用的局域網(wǎng)接口。這些接口的設(shè)置，顯著增強(qiáng)了伺服單元與其它控制設(shè)備的互聯(lián)能力，從而與CNC系統(tǒng)間的連接也因此變得十分簡(jiǎn)單，只需要一根電纜或光纜，就可以將數(shù)臺(tái)，甚至數(shù)十臺(tái)伺服單元與上位計(jì)算機(jī)連接成為整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)。

　　隨著機(jī)器安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的故障診斷和保護(hù)技術(shù)已經(jīng)落伍，最新的產(chǎn)品嵌入了預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)，使得人們可以通過(guò)Intemet及時(shí)了解重要技術(shù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，并采取預(yù)防性措施。比如：關(guān)注電流的升高，負(fù)載變化時(shí)評(píng)估尖峰電流；外殼或鐵芯溫度升高時(shí)監(jiān)視溫度傳感器；以及對(duì)電流波形發(fā)生的任何畸變保持警惕。

　　雖然市場(chǎng)上存在通用化的伺服產(chǎn)品系列，但是為某種特定應(yīng)用場(chǎng)合專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制造的伺服系統(tǒng)比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形狀、不同表面粘接結(jié)構(gòu)(SPM)和嵌入式永磁(IPM)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)出現(xiàn)，分割式鐵芯結(jié)構(gòu)工藝在日本的使用使永磁無(wú)刷伺服電機(jī)的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了高效率、大批量和自動(dòng)化，并引起國(guó)內(nèi)廠家的研究。無(wú)論是永磁無(wú)刷伺服電機(jī)還是步進(jìn)電機(jī)都積極向更小的尺寸發(fā)展，比如20，28，35 mln外徑；同時(shí)也在發(fā)展更大功率和尺寸的機(jī)種，已經(jīng)看到500 kW永磁伺服電機(jī)的出現(xiàn)。體現(xiàn)了向兩極化發(fā)展的傾向。

　　綜上所述，伺服系統(tǒng)將向兩個(gè)方向發(fā)展：一個(gè)是滿(mǎn)足一般工業(yè)應(yīng)用的要求，對(duì)性能指標(biāo)要求不是很高的應(yīng)用場(chǎng)合，追求低成本、少維護(hù)、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，如變頻電機(jī)、變頻器等；另一個(gè)就是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導(dǎo)產(chǎn)品一伺服電機(jī)、伺服控制器，追求高性能、高速度、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的驅(qū)動(dòng)控制，以滿(mǎn)足用戶(hù)較高的要求。

　　21世紀(jì)是一個(gè)嶄新的世紀(jì)，也定將是各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的世紀(jì)。相信隨著材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的逐步提高，同時(shí)伴隨著制造業(yè)的不斷升級(jí)和“柔性制造技術(shù)”的快速發(fā)展，必將為“柔性加工和制造技術(shù)”的核心技術(shù)之一的“伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)”迎來(lái)又一大好的發(fā)展時(shí)機(jī)。