朱文明

（江西省界牌樞紐管理處，江西 鷹潭 335000）

1 伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程

伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)類型分為直流（DC）和交流（AC）伺服系統(tǒng)。20 世紀(jì)50年代，無刷電機(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，20 世紀(jì)70年代則是直流伺服電機(jī)的應(yīng)用最廣泛的時(shí)代。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。

交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型來分，主要有兩大類：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。

系統(tǒng)的執(zhí)行元件一般為普通三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，功率變換器件通常采用智能功率模塊IPM。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，可采用位置和速度閉環(huán)控制。三相交流電流的跟隨控制能有效提高逆變器的電流響應(yīng)速度，并且能限制暫態(tài)電流，從而有利于IPM 的安全工作。速度和位置環(huán)可使用單片機(jī)控制，以使控制策略獲得更高的控制性能。直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)受電機(jī)本身缺陷的影響，其發(fā)展受到了限制。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。

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)械部件所帶來的各種缺點(diǎn)，特別是交流伺服電機(jī)的過負(fù)荷特性和低慣性更體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。所以交流伺服系統(tǒng)在工廠自動(dòng)化（FA）等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2 伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品概況

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間和廠級(jí)監(jiān)控工作站等一應(yīng)俱全。

2.1 伺服電機(jī)

隨著永磁材料制造工藝的不斷完善，新一代的伺服電機(jī)大都采用了最新的Nd2Fe14b1（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他永磁材料，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。新一代的伺服電機(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)值型兩種類型，通信速率達(dá)4M/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20bit/rev，即每轉(zhuǎn)生成100萬個(gè)脈沖，最高轉(zhuǎn)速達(dá)6000r/min，編碼器電源電流僅為16μA。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10W 到20W，小容量型的功率范圍為30W～750W，中容量型的功率范圍為300W～15KW，大容量型的功率范圍為22KW～55KW。伺服電機(jī)的供電電壓范圍從100V～400V（單三相）。

2.2 伺服控制單元

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：

2.2.1 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，通過硬件來進(jìn)行電流環(huán)控制 ，即將控制算法固化在LSI 專用硬件環(huán)路中。通過采用高速的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。

2.2.2 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)間縮短為原來的三分之一。

2.2.3 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。

2.2.4 為了使用戶更加靈活地使用伺服系統(tǒng)，一些產(chǎn)品上增加了可擴(kuò)展性以及柔性化、開放性設(shè)計(jì)。用戶可以通過修改內(nèi)部參數(shù)，選擇控制算法，或者使用高級(jí)語言進(jìn)行編程，更加靈活的使用伺服產(chǎn)品。

2.2.5 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計(jì)算完成修正。

2.3 上位控制

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）控制單元和視覺傳感系統(tǒng)。編程語言有梯形圖、NC 語言、SFC 語言、運(yùn)動(dòng)控制語言等，均可按照用戶要求靈活配置。

3 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

從前面的討論可以看出，數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣，用戶對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的要求也越來越高。總的來說，伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下幾個(gè)方面：

3.1 交流化

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)的國家，AC 伺服電機(jī)的市場(chǎng)占有率已超過80%，在國內(nèi)生產(chǎn)AC 伺服電機(jī)的廠家也越來越多，正在逐步超過生產(chǎn)DC 伺服電機(jī)的廠家?？梢灶A(yù)見，不久的將來，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)。

3.2 全數(shù)字化

采用新型高速微處理器和專用數(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)。全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，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。

3.3 高度集成化

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)。

3.4 智能化

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。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。

3.4.1 具有參數(shù)記憶功能。系統(tǒng)的所有參數(shù)都可以通過人機(jī)對(duì)話的方式由軟件來設(shè)置，保存在伺服單元內(nèi)部，通過通信接口，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；

3.4.2 具有故障自診斷與分析功能。無論什么時(shí)候，只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會(huì)將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶面板清楚地顯示出來，這就簡(jiǎn)化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性；

3.4.3 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幾次試運(yùn)行自動(dòng)將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)化。

綜上所述，伺服系統(tǒng)將向兩個(gè)方向發(fā)展：一個(gè)是滿足一般工業(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--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，以滿足用戶較高的要求。

[1]“無刷直流電動(dòng)機(jī)原理及其應(yīng)用”劉亮喜編技術(shù)培訓(xùn)資料，2000.10.

[2]《交流伺服系統(tǒng)》書，機(jī)械工業(yè)社郭慶鼎編