隨著技術(shù)的不斷成熟，交流伺服電機(jī)技術(shù)憑借其優(yōu)異的性價(jià)比，逐漸取代直流電機(jī)成為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機(jī)。交流伺服系統(tǒng)技術(shù)的成熟也使得市場(chǎng)呈現(xiàn)出快速的多元化發(fā)展，并成為工業(yè)自動(dòng)化的支撐性技術(shù)之一。

　　南京工業(yè)大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制研究所所長(zhǎng)舒志兵在采訪中用九個(gè)字描述了伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)：即高精度、高速度、大功率。他解釋說(shuō)，伺服系統(tǒng)的發(fā)展要充分利用電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用數(shù)字式伺服系統(tǒng)，利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，增強(qiáng)軟件控制功能，排除模擬電路的非線性誤差和調(diào)整誤差以及溫度漂移等因素的影響，這可大大提高伺服系統(tǒng)的性能，并為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制創(chuàng)造條件。同時(shí)，要開(kāi)發(fā)高精度、快速檢測(cè)元件與高性能的伺服電機(jī)（執(zhí)行元件）。

　　如何提高交流伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)

　　眾所周知，伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)元件組成，高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測(cè)裝置，用來(lái)反饋實(shí)際的輸出狀態(tài)。

　　舒所長(zhǎng)介紹，在交流伺服系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的類型有永磁同步交流伺服電機(jī)（PMSM）和感應(yīng)異步交流伺服電機(jī)（IM），其中永磁同步電機(jī)具備十分優(yōu)良的低速性能，可以實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，具有調(diào)速范圍寬廣、動(dòng)態(tài)特性和效率高的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)展成為伺服系統(tǒng)的主流之選。而異步伺服電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、價(jià)格低廉，但在特性與效率上與永磁同步電機(jī)存在差距，只在大功率場(chǎng)合得到重視。

　　隨著交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐漸拓寬，其性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也得到廣泛關(guān)注。舒所長(zhǎng)將性能指標(biāo)大致分為調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性等方面，同時(shí)他對(duì)這幾個(gè)指標(biāo)分別做了詳細(xì)說(shuō)明，他解釋道：“低檔的伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍在1：1000以上，一般的在1：5000～1：10000，高性能的可以達(dá)到1：100000以上；定位精度一般都要達(dá)到±1個(gè)脈沖，尤其是低速下的穩(wěn)速精度。比如給定1rpm時(shí)，一般的在±0.1rpm以內(nèi)，高性能的可以達(dá)到±0.01rpm以內(nèi)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面，通常衡量的指標(biāo)是系統(tǒng)最高響應(yīng)頻率，即給定最高頻率的正弦速度指令，系統(tǒng)輸出速度波形的相位滯后不超過(guò)90度或者幅值不小于50％。進(jìn)口三菱伺服電機(jī)MR－J3系列的響應(yīng)頻率高達(dá)900Hz，而國(guó)內(nèi)主流產(chǎn)品的頻率在200～500Hz；運(yùn)行穩(wěn)定性主要是指系統(tǒng)在電壓波動(dòng)、負(fù)載波動(dòng)、電機(jī)參數(shù)變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾，以及其他特殊運(yùn)行條件下，維持穩(wěn)定運(yùn)行并保證一定的性能指標(biāo)的能力。這方面國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品與世界先進(jìn)產(chǎn)品相比差距較大?！?/p>

　　同時(shí)，舒所長(zhǎng)從控制策略方面對(duì)伺服系統(tǒng)性能進(jìn)行了進(jìn)一步闡釋，他介紹，基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的電壓頻率控制方法和開(kāi)環(huán)磁通軌跡控制方法都難以達(dá)到良好的伺服特性，目前普遍應(yīng)用的是基于永磁電機(jī)動(dòng)態(tài)解耦數(shù)學(xué)模型的矢量控制方法，這是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的核心控制方法。他強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“雖然人們?yōu)榱诉M(jìn)一步提高控制特性和穩(wěn)定性，提出了反饋線性化控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制等理論，還有不依賴數(shù)學(xué)模型的模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制方法，但是大多在矢量控制的基礎(chǔ)上附加應(yīng)用這些控制方法。”

　　什么樣的伺服系統(tǒng)才是用戶最需要的？

　　近年來(lái)，伺服系統(tǒng)的發(fā)展始終以穩(wěn)定性、響應(yīng)性與精度為發(fā)展主軸，這也是用戶在使用過(guò)程中最為看重的幾大因素。穩(wěn)定的系統(tǒng)可以在給定輸入或外界干擾作用下，在短暫的調(diào)節(jié)后達(dá)到新的或者恢復(fù)到原有的平衡狀態(tài)；伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。以數(shù)控機(jī)床為例，允許的偏差一般都在0.01～0.00lmm之間；快速響應(yīng)性是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，一方面要求過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒。而另一方面，為了滿足超調(diào)要求，要求過(guò)渡過(guò)程的前沿陡，即上升率要大。

　　舒所長(zhǎng)還強(qiáng)調(diào)，由于用戶在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到伺服系統(tǒng)頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程，這就要求伺服電機(jī)具有高性能，即電機(jī)的輸出力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動(dòng)力矩。要求伺服電機(jī)在低速時(shí)有足夠大的輸出力矩且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以便在與機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)；同時(shí)，寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)也是用戶較為關(guān)注的熱點(diǎn)。以機(jī)床行業(yè)為例，從系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)看，數(shù)控機(jī)床的位置閉環(huán)系統(tǒng)可以看作是位置調(diào)節(jié)為外環(huán)、速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其內(nèi)部的實(shí)際工作過(guò)程是把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度給定信號(hào)后，再通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移。數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)要求調(diào)速性能也比較高，因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調(diào)速系統(tǒng)。

　　目前，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用行業(yè)逐漸增多，行業(yè)用戶的需求也在完善著伺服系統(tǒng)的功能與性能。舒所長(zhǎng)介紹說(shuō)：“近幾年，隨著國(guó)內(nèi)外公司應(yīng)用伺服產(chǎn)品的成功案例增多，以及在國(guó)外展會(huì)上關(guān)于運(yùn)動(dòng)控制新技術(shù)的見(jiàn)聞，我大致地總結(jié)了一些伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制和相關(guān)軟件的發(fā)展趨勢(shì)：首先就是產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)在產(chǎn)品中融入機(jī)器安全的概念；同時(shí)，在適合運(yùn)動(dòng)控制的工業(yè)協(xié)議方面，我們注意到包括倍福、貝加萊、丹納赫、西門子等公司都推出了自己的通訊協(xié)議。這些通訊協(xié)議都為多軸實(shí)時(shí)同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驅(qū)動(dòng)器集成進(jìn)去。目前，國(guó)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)與研究所已經(jīng)進(jìn)行了研發(fā)實(shí)踐，這一方面消化了國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，另一方面也為自己的總線標(biāo)準(zhǔn)的制定做出了有益的嘗試。”