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。

一、伺服系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程

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)類型分為直流（DC）和交流（AC）伺服系統(tǒng)。20世紀(jì)50年代，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，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(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。

從20世紀(jì)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(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)——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。

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(lái)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。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。

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。電流調(diào)節(jié)器若為比例形式，三個(gè)交流電流環(huán)都用足夠大的比例調(diào)節(jié)器進(jìn)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(dòng)機(jī)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(shí)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(jiǎn)單、電流跟隨性能好以及限制電動(dòng)機(jī)起制動(dòng)電流快速可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。

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。

二、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。

（一）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(wàn)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）。

（二）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(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)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，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：

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(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。

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(lái)的三分之一。

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)鎖定功能控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，使伺服系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間縮短，操作更加簡(jiǎn)化。

4．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100V擴(kuò)展到400V（單相/三相）。

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(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。

6．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。

（三）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(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?yè)P(yáng)機(jī)械等，具有很高的性能價(jià)格比。

三、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(lái)越廣，用戶對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的要求也越來(lái)越高?？偟膩?lái)說(shuō)，伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下幾個(gè)方面：

（一）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(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)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，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)。

（二）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。

（三）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(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)。

（四）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：

1）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；

2）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)將故障的類型以及可能引起故障的原因通過(guò)用戶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；（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(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。

（五）模塊化和網(wǎng)絡(luò)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（FactoryAutomation簡(jiǎn)稱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（如RS—232C接口等）和專用的局域網(wǎng)接口。這些接口的設(shè)置CONTROLENGINEERINGChina版權(quán)所有，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)。

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。