伺服系統(tǒng)在機電設(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、準確、快速的驅(qū)動。隨著技術(shù)的進步和整個工業(yè)的不斷發(fā)展，伺服驅(qū)動技術(shù)也取得了極大的進步，伺服系統(tǒng)已進入全數(shù)字化和交流化的時代。
1 伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程
1.1 直流伺服技術(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)動的電機類型分為直流（DC）伺服系統(tǒng)和交流（AC）伺服系統(tǒng)。50年代，無刷電機和直流電機實現(xiàn)了產(chǎn)品化，并在計算機外圍設(shè)備和機械設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。70年代則是直流伺服電機的應(yīng)用最為廣泛的時代。
1.2 交流伺服技術(shù)
從70年代后期到80年代初期，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)和電機永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價格比的日益提高，交流伺服技術(shù)—交流伺服電機和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。
交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動電動機的類型來分，主要有兩大類:永磁同步（ＳＭ型）電動機交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步（ＩＭ型）電動機交流伺服系統(tǒng)。其中，永磁同步電動機交流伺服系統(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)動的要求。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，其在工業(yè)生產(chǎn)自動化領(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)式異步電動機交流伺服系統(tǒng)由于感應(yīng)式異步電動機結(jié)構(gòu)堅固，制造容易，價格低廉，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，相對永磁同步電動機伺服系統(tǒng)來說控制比較復(fù)雜，而且電機低速運行時還存在著效率低，發(fā)熱嚴重等有待克服的技術(shù)問題，目前并未得到普遍應(yīng)用。
系統(tǒng)的執(zhí)行元件一般為普通三相鼠籠型異步電動機，功率變換器件通常采用智能功率模塊IPM。為進一步提高系統(tǒng)的動態(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地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。速度環(huán)和位置環(huán)可使用單片機控制，以使控制策略獲得更高的控制性能。電流調(diào)節(jié)器若為比例形式，三個交流電流環(huán)都用足夠大的比例調(diào)節(jié)器進行控制，其比例系數(shù)應(yīng)該在保證系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩的前提下盡量選大些，使被控異步電動機三相交流電流的幅值、相位和頻率緊隨給定值快速變化，從而實現(xiàn)電壓型逆變器的快速電流控制。電流用比例調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單、電流跟隨性能好以及限制電動機起制動電流快速可靠等諸多優(yōu)點。
1.3 交直流伺服技術(shù)的比較
直流伺服驅(qū)動技術(shù)受電機本身缺陷的影響，其發(fā)展受到了限制。直流伺服電機存在機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護工作量大等缺點，在運行過程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機械設(shè)備的精度，難以應(yīng)用到高速及大容量的場合，機械換向器則成為直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的過負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)在工廠自動化（FA）等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
從伺服驅(qū)動產(chǎn)品當前的應(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，市場占有率逐步擴大。在實際應(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)成為主流產(chǎn)品。
2 伺服系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展
伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展與磁性材料技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、通信技術(shù)、組裝技術(shù)、生產(chǎn)工藝水平等基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。
磁性材料中，特別是永久磁性材料性能的提高是伺服電機高性能化、小型化所不可缺少的重要條件。以日本安川公司伺服電機產(chǎn)品的磁性材料為例，其磁性材料的磁能積由原來的10MGOe提高到30MGOe，從70年代到90年代的這段時間提高了3倍。
半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使伺服驅(qū)動技術(shù)進入了全數(shù)字化時期，伺服控制器的小型化指標取得了很大的進步。LSI（大規(guī)模集成電路）的精細加工技術(shù)以及開關(guān)特性的改善使高速開關(guān)器件的應(yīng)用成為主流。IGBT（絕緣柵雙極型場效應(yīng)管）已經(jīng)發(fā)展到了第四代產(chǎn)品，其性能則提高了5倍以上。微處理器（CPU）性能的大幅度增強也使伺服控制器的復(fù)雜運算速度和多功能處理能力得以提高，同時也為產(chǎn)品的小型化創(chuàng)造了條件。
交流伺服控制器硬件環(huán)境的改善以及交流伺服電機的結(jié)構(gòu)和制造材料的改進為更加快速、準確、穩(wěn)定地控制機械設(shè)備創(chuàng)造了很好的條件。
在全數(shù)字控制方式下，伺服控制器實現(xiàn)了伺服控制的軟件化?，F(xiàn)在很多新型的伺服控制器都采用了多種新算法。目前比較常用的算法主要有PID/IPD（比例微分積分/）控制切換、前饋控制、速度實時監(jiān)控、共振抑制控制、可變增益控制、振動抑制控制、模型規(guī)范適應(yīng)控制、反復(fù)控制、預(yù)測控制、模型跟蹤控制、在線自動修正控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、H∞控制等。通過采用這些功能算法，可以使伺服控制器的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、準確性和可操作性都達到了很高的水平。
3 伺服系統(tǒng)的應(yīng)用
隨著市場競爭的日趨激烈，用戶對所需產(chǎn)品提出了更高的技術(shù)要求和更合理的性能價格比。伺服系統(tǒng)以其出色的性能滿足了各種產(chǎn)品制造廠家近乎苛刻的要求，從而能夠?qū)Ξa(chǎn)品的加工過程、加工工藝和綜合性能進行改造。在機電一體化設(shè)備上伺服系統(tǒng)的使用更加廣泛，幾乎工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域都成為伺服系統(tǒng)的應(yīng)用對象。表1列出了伺服系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。
表1 伺服系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域
4.伺服驅(qū)動產(chǎn)品概況
由于伺服驅(qū)動產(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、變頻電機、伺服電機、變頻器、伺服控制器到運動控制器、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級和廠級監(jiān)控工作站等一應(yīng)俱全。對于用戶而言可以很方便地根據(jù)實際需要靈活選用。下面以安川公司的伺服產(chǎn)品為例做一介紹。
4.1 伺服電機
隨著永磁材料制造工藝的不斷完善，新一代的伺服電機大都采用了最新的Nd2Fe14B1（銣鐵硼）材料，該材料的剩余磁密、矯頑力、最大磁能積均好于其他永磁材料，再加上合理的磁極、磁路及電機結(jié)構(gòu)設(shè)計，大大地提高了電機的性能，同時又縮小了電機的外形尺寸。新一代的伺服電機大都采用了新型的位置編碼器，這種位置編碼器的信號線數(shù)量從9根減少到5根，并支持增量型和絕對值型兩種類型，通信速率達4M/s，通信周期為62.5μs，數(shù)據(jù)長度為12位，編碼器分辨率為20bit/rev，即每轉(zhuǎn)生成100萬個脈沖，最高轉(zhuǎn)速達6000r/min，編碼器電源電流僅為16μA。
伺服電機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到750W，中容量型的功率范圍為300W到15KW，大容量型的功率范圍為22KW到55KW。伺服電機的供電電壓范圍從100V到400V（單相/三相）。
4.2 伺服控制單元
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，但也有難以克服的缺點，如系統(tǒng)調(diào)試困難，容易受到環(huán)境溫度變化的影響而產(chǎn)生漂移，難以實現(xiàn)柔性化設(shè)計，缺乏實現(xiàn)復(fù)雜計算的能力，無法實現(xiàn)現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下的控制算法等。所以現(xiàn)代伺服控制器均采用全數(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)代的矢量控制思想，它實現(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。如安川公司的伺服控制器就采用了許多新的技術(shù)手段來提高其產(chǎn)品的性能，其中主要有以下幾個方面。
（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的運算量得以減少，通過硬件來進行電流環(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)矩控制精度有了進一步的提高。使用d—q軸變換電流控制，實現(xiàn)了在穩(wěn)態(tài)運行及瞬態(tài)運行時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間縮短為原來的三分之一。
（3）速度控制環(huán)采用速度實時檢測控制算法，使電機的低速性能得到進一步提高，速度波動和轉(zhuǎn)矩波動降到最低。采用在線自動設(shè)定功能，使伺服系統(tǒng)的調(diào)試時間縮短，操作更加簡單。
?。?）為了使用戶更加靈活地使用伺服系統(tǒng)，一些產(chǎn)品上增加了可擴展性以及柔性化、開放性設(shè)計。用戶可以通過修改內(nèi)部參數(shù)，選擇控制算法，或者使用高級語言進行編程，更加靈活的使用伺服產(chǎn)品。
?。?）采用主回路與控制回路進行電氣隔離的結(jié)構(gòu)，使操作及故障檢測更加方便安全。供電電源電壓從100V擴展到400V（單相/三相）。
（6）伺服控制一般均采用從電機軸端的位置編碼器采集位置信號進行反饋，在受控執(zhí)行機械部分沒有反饋采樣信號，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算完成修正。
?。?）采用RICS（精簡指令計算機系統(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，專用控制器門陣列數(shù)量超過了10萬門。
4.3 上位控制
隨著工業(yè)機械化設(shè)備對高速化、高精度化和小型化以及多品種小批量化、高可靠性、免維護性能要求的提高，安川公司為用戶提供了豐富的上位機控制群可供選擇。從上層的可編程控制器（PLC）、運動控制器、機床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、運動控制語言等，均可按照用戶的要求靈活配置。系統(tǒng)可控制軸數(shù)從單軸到可支持多達44軸，控制器可以連接從模擬信號到網(wǎng)絡(luò)信號的各種信號類型。
通用機械中使用的運動控制器包括單軸控制器、雙軸控制器、運動控制器和多軸高性能運動控制器等。高性能的超高速運動控制器的程序掃描速度約為0.4—1ms/1000步，最高可支持44個軸完全同步驅(qū)動控制，適用于高速度、高精度的機械設(shè)備，如印刷機械、包裝機械、半導(dǎo)體制造機械等等。除了高端產(chǎn)品外，低端產(chǎn)品的單軸控制器結(jié)構(gòu)小巧緊湊，支持網(wǎng)絡(luò)化，可控制1軸伺服+主軸控制器，能完成FTP控制和跟蹤控制，支持NC語言，可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造設(shè)備、加工機械、搬運機械、卷揚機械等，具有很高的性能價格比。
5 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
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，用戶對伺服驅(qū)動技術(shù)的要求越來越高?？偟膩碚f，伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個方面：
（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)達國家，ＡＣ伺服電機的 市場占有率已經(jīng)超過80%。在國內(nèi)生產(chǎn)ＡＣ伺服電機的廠家也越來越多，正在逐步地超過生產(chǎn)ＤＣ伺服電機的廠家。可以預(yù)見，在不遠的將來，除了在某些微型電機領(lǐng)域之外，ＡＣ伺服電機將完全取代ＤＣ伺服電機。
（2）全數(shù)字化
采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機（ＤＳＰ）的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(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)代控制理論的先進算法（如:最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等）成為可能。
（3）采用新型電力電子半導(dǎo)體器件
目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來越多地采用開關(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，主要有大功率晶體管（ＧＴＲ）、功率場效應(yīng)管（ＭＯＳＦＥＴ）和絕緣門極晶體管（ＩＧＰＴ）等。這些先進器件的應(yīng)用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了運行噪聲。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關(guān)器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅｓ，簡稱ＩＰＭ）。這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與ＴＴＬ信號完全兼容，與微處理器的輸出可以直接接口。它的應(yīng)用顯著地簡化了伺服單元的設(shè)計，并實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。
（4）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)。高度的集成化還顯著地縮小了整個控制系統(tǒng)的體積，使得伺服系統(tǒng)的安裝與調(diào)試工作都得到了簡化。
（5）智能化
智能化是當前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為一種高級的工業(yè)控制裝置當然也不例外。最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設(shè)計為智能型產(chǎn)品，它們的智能化特點表現(xiàn)在以下幾個方面:首先他們都具有參數(shù)記憶功能，系統(tǒng)的所有運行參數(shù)都可以通過人機對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)甚至可以在運行途中由上位計算機加以修改，應(yīng)用起來十分方便;其次它們都具有故障自診斷與分析功能，無論什么時候，只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶界面清楚地顯示出來，這就簡化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性;除以上特點之外，有的伺服系統(tǒng)還具有參數(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)性能指標的重要環(huán)節(jié)，也是需要耗費較多時間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運行，自動將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來，并自動實現(xiàn)其最優(yōu)化。對于使用伺服單元的用戶來說，這是新型伺服系統(tǒng)最具吸引力的特點之一。
（6）模塊化和網(wǎng)絡(luò)化
在國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動化（Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ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)都配置了標準的串行通信接口（如ＲＳ-232Ｃ或ＲＳ-422接口等）和專用的局域網(wǎng)接口。這些接口的設(shè)置，顯著地增強了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力，從而與ＣＮＣ系統(tǒng)間的連接也由此變得十分簡單，只需要一根電纜或光纜，就可以將數(shù)臺，甚至數(shù)十臺伺服單元與上位計算機連接成為整個數(shù)控系統(tǒng)，。也可以通過串行接口，與可編程控制器（ＰＬＣ）的數(shù)控模塊相連。
綜上所述，伺服系統(tǒng)將向兩個方向發(fā)展。一個是滿足一般工業(yè)應(yīng)用要求，對性能指標要求不高的應(yīng)用場合，追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅(qū)動產(chǎn)品，如變頻電機、變頻器等。另一個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、伺服控制器，追求高性能、高速度、數(shù)字化、智能型、網(wǎng)絡(luò)化的驅(qū)動控制，以滿足用戶較高的應(yīng)用要求。
（轉(zhuǎn)載）
