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，近年來國內(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?？煽匦院檬侵感盘?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)以僅僅數(shù)年的成長期迅速進(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，其控制電路簡單，無勵(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。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的壽命。

2 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類及其特性

　　伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的種類：通常根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)的種類來分類，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)的類型來分：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)來說控制比較復(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故障時(shí)間(MTBF)大大長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；在電路集成過程中采用了一些屏蔽措施，可以避免電力電子電路中過大的瞬態(tài)電流、電壓引起的電磁干擾問題，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，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)用場合上存在著較大的差異?，F(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)以內(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)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。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]有這種過載能力，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)的控制為開環(huán)控制，起動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。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問和廠級(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)值型兩種類型，通信速率達(dá)4 M／s，通信周期為62.5μs，數(shù)據(jù)長度為12位，編碼器分辨率為20 bit／rev，即每轉(zhuǎn)生成100萬個(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。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。速度控制環(huán)采用速度實(shí)時(shí)檢測控制算法，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。用RICS(精簡指令計(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。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、卷揚(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)用越來越廣，并且還有取代DC伺服系統(tǒng)的趨勢成為電氣伺服系統(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。一類稱為無刷直流電動(dòng)機(jī)，它要求將方波電流直人定子繞組(BLDCM)。另一類稱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，由此得名無刷直流電動(dòng)機(jī)。BLDCM定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢為梯形波，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)稱方波電流，而SPWM、PM、SM定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢為近似正弦波，需要向SPWM、PM、SM定子輸入三相對(duì)稱正弦波電流。

　　永磁同步電機(jī)的磁場來自電動(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)勢的分布不同，三相永磁同步電動(dòng)機(jī)可分為兩種類型：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)勢分布是正弦波狀，后者每相勵(lì)磁磁動(dòng)勢分布呈方波狀，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。對(duì)于采用非均勻氣隙或非均勻磁化方向長度的永磁體的徑向勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，氣隙磁場波形可以實(shí)現(xiàn)正弦分布。綜上所述兩類永磁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二類伺服系統(tǒng)構(gòu)成的基本思路是一致的。

　　兩種永磁無刷電動(dòng)機(jī)比較而言，方波無刷直流電動(dòng)機(jī)具有控制簡單、成本低、檢測裝置簡單、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)容易等優(yōu)點(diǎn)。但是方波無刷直流電動(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)場合下的應(yīng)用(尤其是在低速直接驅(qū)動(dòng)場合)。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)。上世紀(jì)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。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，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，其控制簡單、良好的低速運(yùn)行性能及較高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)使得永磁無刷同步電動(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、以及伺服專用模塊也不足為奇。國際廠商伺服產(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)品生命周期越來越短。近些年數(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。總結(jié)國內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線，結(jié)合市場需求的變化，可以從以下方面看到一些最新的發(fā)展趨勢。

　　直接驅(qū)動(dòng)包括采用盤式電機(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，便于用戶在不改變硬件配置的條件下，方便地設(shè)置成V／F控制、無速度傳感器開環(huán)矢量控制、閉環(huán)磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動(dòng)機(jī)控制及再生單元等五種工作方式，適用于各種場合，可以驅(qū)動(dòng)不同類型的電機(jī)，比如異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，也可以適應(yīng)不同的傳感器類型，甚至無位置傳感器?？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)。從目前國際市場的情況看，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)。

　　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)，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)。

　　智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，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)于伺服用戶來說，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；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。

　　在國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動(dòng)化(簡稱FA)工程技術(shù)在最近十年來得到了長足的發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢頭。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，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)測性維護(hù)技術(shù)，使得人們可以通過Intemet及時(shí)了解重要技術(shù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)趨勢，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)用場合專門設(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，并引起國內(nèi)廠家的研究。無論是永磁無刷伺服電機(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)用場合，追求低成本、少維護(hù)、使用簡單等特點(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，以滿足用戶較高的要求。

　　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)”迎來又一大好的發(fā)展時(shí)機(jī)。