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    （南京工業(yè)大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制研究所，江蘇 南京 210009） 舒志兵，董 科，章 杰，盧宗春，湯世松
                         
    舒志兵 （1965-）男，南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院運(yùn)動(dòng)控制研究所所長(zhǎng)，中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)智能檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)控制專業(yè)委員會(huì)秘書長(zhǎng)。長(zhǎng)期從事測(cè)控技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制、傳感器技術(shù)、電力電子技術(shù)及電氣控制系統(tǒng)研究，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人、非線性多變量控制、變頻調(diào)速、交直流傳動(dòng)、伺服運(yùn)動(dòng)控制、DSP技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線、數(shù)控系統(tǒng)及其機(jī)電一體化系統(tǒng)等。

    摘要：現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化、自動(dòng)控制、電氣技術(shù)、電力系統(tǒng)及自動(dòng)化、機(jī)電一體化、電機(jī)電器與控制等專業(yè)既是一門基礎(chǔ)技術(shù)，又是一門專業(yè)技術(shù)，因?yàn)樗粌H分析各種基本的變換電路，而且結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，解決各種復(fù)雜定位控制問(wèn)題，如機(jī)器人控制，數(shù)控機(jī)床等。本文研究的內(nèi)容，就是現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)及其工業(yè)柔性制造系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用，該項(xiàng)目研究目標(biāo)是構(gòu)成一個(gè)三維伺服控制系統(tǒng)，通過(guò)微機(jī)編程，可進(jìn)行三個(gè)自由度的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)高速（3000r/min）、高精度（16384P/R）、低震動(dòng)等伺服特性，該技術(shù)代表21世紀(jì)最新調(diào)速及伺服傳動(dòng)控制，可應(yīng)用于機(jī)器人控制、柔性制造業(yè)等領(lǐng)域， 具有節(jié)約能源，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要意義，必將在21世紀(jì)的機(jī)械加工自動(dòng)化領(lǐng)域開創(chuàng)一個(gè)嶄新的時(shí)代。

    關(guān)鍵詞：交流伺服；數(shù)控加工；伺服電機(jī)

    Abstract: Modern A.C. servo system is a basic as well as special technique for automatic control, electrical engineering, electric power system and automation, mechanical and electrical system, motor control and so on. As it not only analyzes various basic converter circuits, but also resolves various special location problems, such as robot control, numerically-controlled device problems. In this paper, the principles and methods of a modern A.C. servo system were presented and researched. The target is to build 3-dimension servo control system and realize free coordinate control by microcomputers.It has high performances of rapid control response and machining precision. It represents 21th century technique in motor speed control and servo system. It can be used in motor drive control, robot control and flexible manufacture.

    Key words: Servo; Numerically-controlled machine; Servo motor

    1 機(jī)電一體化及其機(jī)床電氣控制技術(shù)的發(fā)展概況

    現(xiàn)代化生產(chǎn)的水平、產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益等各項(xiàng)指標(biāo)，在很大程度上取決于生產(chǎn)設(shè)備的先進(jìn)性和電氣自動(dòng)化程度。機(jī)電一體化技術(shù)是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷提出新的要求而迅速發(fā)展的。在控制方法上主要是從手動(dòng)到自動(dòng)；在控制功能上，是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜；在操作上，是由笨重到輕巧。隨著新的控制理論和新型電器及電子器件的出現(xiàn)，又為電氣控制技術(shù)的發(fā)展開拓了新的途徑。

    傳統(tǒng)的機(jī)床電氣控制是繼電器接觸式控制系統(tǒng)，由繼電器、接觸器、按鈕、行程開關(guān)等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的啟動(dòng)、停車、有極調(diào)速等控制。繼電器接觸式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、抗干擾強(qiáng)、價(jià)格低，因此廣泛應(yīng)用于各類機(jī)床和機(jī)械設(shè)備。目前，在我國(guó)繼電器接觸式控制仍然是機(jī)床和其他機(jī)械設(shè)備最基本的電氣控制形式之一。

    在實(shí)際生產(chǎn)中，由于大量存在一些用開關(guān)量控制的簡(jiǎn)單的程序控制過(guò)程，而實(shí)際生產(chǎn)工藝和流程又是經(jīng)常變化的，因而傳統(tǒng)的繼電器接觸式控制系統(tǒng)常不能滿足這種要求，因此曾出現(xiàn)了繼電器接觸控制和電子技術(shù)相結(jié)合的控制裝置，叫做順序控制器。

    它能夠根據(jù)生產(chǎn)的需要改變控制程序，而又遠(yuǎn)比電子計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，它是通過(guò)組合邏輯元件插接或編程來(lái)實(shí)現(xiàn)繼電器接觸控制的。但它的裝置體積大，功能也受到一定限制。隨著大規(guī)模集成電路和微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，上述控制技術(shù)也發(fā)生了根本性的變化，在上世紀(jì)70年代出現(xiàn)了將計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)技術(shù)引入順序控制器，產(chǎn)生了新型工業(yè)控制器——可編程序控制器（PLC），它兼?zhèn)淞擞?jì)算機(jī)控制和繼電器控制系統(tǒng)兩方面的優(yōu)點(diǎn)，故目前在世界各國(guó)已作為一種標(biāo)準(zhǔn)化通用裝置普遍應(yīng)用于工業(yè)控制。

    為解決占機(jī)械總加工量80％左右的單件和小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化的難題，上世紀(jì)50年代出現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床。它綜合應(yīng)用了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制和機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，它是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

    數(shù)控機(jī)床經(jīng)過(guò)60年來(lái)的發(fā)展，品種日益增多，性能不斷完善，其中以輪廓控制的數(shù)控機(jī)床和帶有自動(dòng)換刀裝置和工作臺(tái)能自動(dòng)轉(zhuǎn)位的數(shù)控加工中心發(fā)展更為迅速。數(shù)控機(jī)床由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等部分組成，其中伺服系統(tǒng)的性能是決定數(shù)控機(jī)床加工精度和生產(chǎn)率的主要因素之一。在數(shù)控機(jī)床中使用永磁無(wú)刷伺服電機(jī)代替步進(jìn)電機(jī)做進(jìn)給已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)，部分高端產(chǎn)品開始采用永磁交流直線伺服系統(tǒng)。在主軸傳動(dòng)中采用高速永磁交流伺服取代異步變頻驅(qū)動(dòng)來(lái)提高效率和速度也成為熱點(diǎn)。90年代以來(lái)，歐、美、日各國(guó)爭(zhēng)相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，高速電主軸單元轉(zhuǎn)數(shù)在30000r pm～100000rpm，工作臺(tái)的進(jìn)給速度在分辨率為1μm時(shí)達(dá)到100m/min，甚至200m/min以上, 在分辨率為0.1μs時(shí)，在24m/min以上。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床突出高速、高精、高動(dòng)態(tài)、高剛性的特點(diǎn)，對(duì)位置系統(tǒng)的要求包括：定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度；定位精度和輪廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求的滿足主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。我們已經(jīng)看到國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)比如廣數(shù)的產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上的廣泛應(yīng)用，但是在中高檔數(shù)控機(jī)床上采用國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)仍然面臨困難，性能是一個(gè)重要方面，還有就是穩(wěn)定性和可靠性，或許品牌效應(yīng)也是難以短時(shí)間逾越的障礙。

    2 伺服系統(tǒng)在數(shù)控加工中的作用及組成

    伺服來(lái)自英文單詞Se r v o，指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)要素包括位置、速度和力矩。伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動(dòng)到電氣的過(guò)程，而電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、反饋裝置和控制器。在20世紀(jì)60年代，最早是直流電機(jī)作為主要執(zhí)行部件，在70年代以后，交流伺服電機(jī)的性價(jià)比不斷提高，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)。控制器的功能是完成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制，包括力矩、速度和位置等。我們通常說(shuō)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)包括了控制器的基本功能和功率放大部分。雖然采用功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的開環(huán)伺服系統(tǒng)曾經(jīng)在90年代的所謂經(jīng)濟(jì)型數(shù)控領(lǐng)域獲得廣泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。進(jìn)入21世紀(jì)，交流伺服系統(tǒng)越來(lái)越成熟，市場(chǎng)呈現(xiàn)快速多元化發(fā)展，國(guó)內(nèi)外眾多品牌進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。目前交流伺服技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化的支撐性技術(shù)之一。

    在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，把輸出量能夠以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，亦稱伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。

    伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)元件（或稱執(zhí)行元件伺服電機(jī)）組成，高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測(cè)裝置，反饋實(shí)際的輸出狀態(tài)。

    數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來(lái)自數(shù)控裝置的指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件跟隨指令脈沖運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速和準(zhǔn)確，這就要求高質(zhì)量的速度和位置伺服。以上指的主要是進(jìn)給伺服控制，另外還有對(duì)主運(yùn)動(dòng)的伺服控制，不過(guò)控制要求不如前者高。數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)往往主要取決于伺服系統(tǒng)。

    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，調(diào)速范圍寬廣、動(dòng)態(tài)特性和效率都很高，已經(jīng)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、制造簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率場(chǎng)合得到重視。

    交流伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可以從調(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)定性等方面來(lái)衡量。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，穩(wěn)速精度，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)定性方面，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、包括部分臺(tái)灣產(chǎn)品和世界先進(jìn)水平相比差距較大。

    在控制策略上，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。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。還有，高性能伺服控制必須依賴高精度的轉(zhuǎn)子位置反饋，人們一直希望取消這個(gè)環(huán)節(jié)，發(fā)展了無(wú)位置傳感器技術(shù)（Sensorless Control）。至今，在商品化的產(chǎn)品中，采用無(wú)位置傳感器技術(shù)只能達(dá)到大約1：100的調(diào)速比，可以用在一些低檔的對(duì)位置和速度精度要求不高的伺服控制場(chǎng)合中，比如單純追求快速起停和制動(dòng)的縫紉機(jī)伺服控制，這個(gè)技術(shù)的高性能化還有很長(zhǎng)的路要走。

    3 伺服系統(tǒng)的基本要求和特點(diǎn)

    （1） 對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求

    穩(wěn)定性好：穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后到達(dá)新的或者回復(fù)到原有的平衡狀態(tài)。

    精度高：伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數(shù)控機(jī)床，要求的定位精度或輪廓加工精度通常都比較高，允許的偏差一般都在 0.01～0.00lmm之間。

    快速響應(yīng)性好：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；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。

    （2） 伺服系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

    精確的檢測(cè)裝置：以組成速度和位置閉環(huán)控制。

    有多種反饋比較原理與方法：根據(jù)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)信息反饋的原理不同，伺服系統(tǒng)反饋比較的方法也不相同。目前常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較三種。

    高性能的伺服電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱伺服電機(jī)）：用于高效和復(fù)雜型面加工的數(shù)控機(jī)床，伺服系統(tǒng)將經(jīng)常處于頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中。要求電機(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)。
   
    寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即速度伺服系統(tǒng)：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)。

    4 伺服系統(tǒng)的分類

    伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動(dòng)元件劃分，有步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱直流電機(jī)）伺服系統(tǒng)、交流電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱交流電機(jī)）伺服系統(tǒng)。按控制方式劃分，有開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)等，實(shí)際上數(shù)控系統(tǒng)也分成開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種類型，就是與伺服系統(tǒng)這三種方式相關(guān)。

    （1） 開環(huán)系統(tǒng)

    圖1是開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖，它主要由驅(qū)動(dòng)電路，執(zhí)行元件和機(jī)床三大部分組成。常用的執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)，通常稱以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)為步進(jìn)式伺服系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，如果是大功率驅(qū)動(dòng)時(shí)，用步進(jìn)馬達(dá)作為執(zhí)行元件。驅(qū)動(dòng)電路的主要任務(wù)是將指令脈沖轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件所需的信號(hào)。
                   
                                       圖1  開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖
    （2） 閉環(huán)系統(tǒng)

    閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、檢測(cè)單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)床五部分組成。其構(gòu)成框圖如圖2所示。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測(cè)元件將機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋給比較環(huán)節(jié)。常見的檢測(cè)元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵和編碼盤等。通常把安裝在絲杠上的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán)系統(tǒng)；把安裝在工作臺(tái)上的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。由于絲杠和工作臺(tái)之間傳動(dòng)誤差的存在，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些。
                      
                                          圖2  閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖
    比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路，控制執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，直到跟隨誤差為零。根據(jù)進(jìn)入比較環(huán)節(jié)信號(hào)的形式以及反饋檢測(cè)方式，閉環(huán)（半閉環(huán)）系統(tǒng)可分為脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)三種。

    由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號(hào)比較微弱，不足以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，故需對(duì)其進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)電路正是為此而設(shè)置的。

    執(zhí)行元件的作用是根據(jù)控制信號(hào)，即來(lái)自比較環(huán)節(jié)的跟隨誤差信號(hào)，將表示位移量的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移。常用的執(zhí)行元件有直流寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)等。執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)中必不可少的一部分，驅(qū)動(dòng)電路是隨執(zhí)行元件的不同而不同的。如圖3所示。
                  
                                     圖4  交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成
    5 伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向

    從最近幾年在德國(guó)紐倫堡舉辦的SPS/IPC/Drives展覽上可以看到世界范圍內(nèi)電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制和相關(guān)軟件的最新情況，其中交流伺服產(chǎn)品的亮點(diǎn)很多，代表了當(dāng)前的國(guó)際水平。

    這里僅僅摘錄幾條，相對(duì)應(yīng)的，國(guó)內(nèi)廠商的研發(fā)動(dòng)向也對(duì)比進(jìn)行說(shuō)明。

    貝加萊（B&R）工業(yè)自動(dòng)化公司推出的AcoposMulti驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用模塊化的可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，每個(gè)軸模塊可以提供1到2個(gè)伺服軸控制，并集成了一個(gè)24VDC的輔助電源模塊，為驅(qū)動(dòng)器、控制器和外圍設(shè)備提供了一個(gè)到直流總線的鏈接，來(lái)獲得開路、短路和過(guò)載保護(hù)。其他特性包括通過(guò)空氣，油或水進(jìn)行冷卻的模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)一個(gè)能量再生系統(tǒng)確保環(huán)境的安全性。在國(guó)內(nèi)，我們還沒(méi)有看到有廠商進(jìn)行類似的模塊式設(shè)計(jì)，并在產(chǎn)品中融入機(jī)器安全概念。

    艾爾默（Elmo）公司展出了一系列伺服驅(qū)動(dòng)器與控制器，包括最新的微型數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器Whistle。這些火柴盒大小的驅(qū)動(dòng)器尺寸雖僅為：5×4.6×1.5cm，但卻能提供0.5 kW的連續(xù)功率（或1kW的峰值功率）。為當(dāng)今市場(chǎng)上最高功率密度與智能的伺服驅(qū)動(dòng)器，集成了高性能32位RISC芯片，提供RS232、485，powerlink等帶CAN通訊的驅(qū)動(dòng)模塊，擁有現(xiàn)場(chǎng)總線通訊控制功能和32位運(yùn)動(dòng)指令，包括高級(jí)的圓弧插補(bǔ)指令，采用17位絕對(duì)值編碼器。

    艾默生控制技術(shù)（Emerson Control Techniques）公司最近展出了Unidrive及其他交、直流驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品。Unidrive 驅(qū)動(dòng)器覆蓋功率范圍從0.55~675kW，變換不同的控制軟件可以驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)、永磁同步伺服電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。額定輸出功率為0.25~11kW 的Varmeca型集成可變速度電機(jī)與可變速度驅(qū)動(dòng)器（VSD），具有閉環(huán)矢量與分布式（Proxdrive）兩個(gè)版本。值得注意的是適合在爆燃性氣體中工作的VSD系統(tǒng)（ATEX），而額定輸出功率為 0.55~400kW的FLSD驅(qū)動(dòng)器，則據(jù)稱能在IIB類或IIC區(qū)1類2分類氣體中工作。相對(duì)應(yīng)的，國(guó)內(nèi)伺服驅(qū)動(dòng)器廠商的產(chǎn)品功率范圍多在10kW以下，而且沒(méi)有特殊防護(hù)等級(jí)的商品化產(chǎn)品面世，這方面國(guó)內(nèi)外的差距很大，也是未來(lái)國(guó)內(nèi)伺服廠商差異化競(jìng)爭(zhēng)的方向。

    Rockwell Automation公司展出了PowerFlex驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

    PowerFlex的發(fā)展路線圖顯示，將于06~07年出現(xiàn)的“公共工業(yè)協(xié)議（CIP）運(yùn)動(dòng)應(yīng)用協(xié)議”，有望無(wú)縫同步在同一系統(tǒng)中運(yùn)行的多軸伺服與變頻驅(qū)動(dòng)器中。

    施耐德電氣（Schneider Electric）最近推出的Lexium 05型伺服控制器具有和VFD變頻器一樣外形，目標(biāo)是低成本應(yīng)用。

    實(shí)際上，利用變頻器的批量生產(chǎn)能力推出低端伺服，已經(jīng)成為一些廠商的競(jìng)爭(zhēng)手段。該公司旗下的Berger Lahr品牌在其展臺(tái)上隨處可見。其智能、集成電機(jī)與控制器產(chǎn)品 (Icla) 主要有以下三個(gè)電機(jī)版本：步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)與三相無(wú)刷直流電機(jī)。Icla（來(lái)源于“集成、閉環(huán)、執(zhí)行器”的首字母縮寫）將電機(jī)、位置控制、功率電子與反饋集成在一個(gè)緊湊單元中。這種一體化設(shè)計(jì)的思路在美國(guó)的Animatics等公司身上也體現(xiàn)得很明顯，來(lái)自德國(guó)的AMK公司也有類似的產(chǎn)品。這是真正的機(jī)電一體化產(chǎn)品，為設(shè)計(jì)者帶來(lái)了一系列的工程挑戰(zhàn)，包括電磁兼容、熱控制、元器件小型化、特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。在國(guó)內(nèi)，沒(méi)有見到有廠商推出自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。

    包米勒（Baumul l e r）公司提供的帶集成行星齒輪傳動(dòng)系的高性能伺服電機(jī)，擁有高達(dá)98％的效率和很低的噪音；直接驅(qū)動(dòng)型高力矩伺服電機(jī)，可以在100～300rpm范圍內(nèi)輸出13500Nm。在國(guó)內(nèi)，我們看到和利時(shí)電機(jī)公司在其海豚系列低壓無(wú)刷伺服電機(jī)系列中提供了類似的帶集成行星齒輪減速器的產(chǎn)品，深圳步進(jìn)也宣稱可以提供帶減速器的步進(jìn)化伺服電機(jī)。在直接驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)市場(chǎng)，成都精密電機(jī)廠可以提供定制化的電機(jī)組件，但是需要客戶另外加裝反饋裝置和第三方驅(qū)動(dòng)器。

    安川電機(jī)歐洲公司（Yaskawa Electric Europe，YEE）展出了其廣受歡迎的通用Sigma II型伺服電機(jī)。YEE的其他進(jìn)展包括正在開發(fā)中的額定功率0.5~5KW防爆及遵循ATEX標(biāo)準(zhǔn)的交流伺服電機(jī)。安川公司的另一項(xiàng)開發(fā)成果是輸出功率高達(dá)500KW的高功率伺服電機(jī)。該項(xiàng)目的商品化預(yù)計(jì)將于近期完成。從中我們可以看到國(guó)際大廠向?qū)Ｓ没⒋笮突欧l(fā)展的動(dòng)向。

    在適合運(yùn)動(dòng)控制的工業(yè)協(xié)議方面，我們還看到Beckhoff的EtherCAT，B&R的PowerLink，Danaher下面的MEI開發(fā)的SynqNet，Siemens的ProfiNet，還有久負(fù)盛名的Sercos已經(jīng)發(fā)展到SercosIII。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。在國(guó)內(nèi)，甚至CAN這樣的中低端總線也沒(méi)有變成伺服驅(qū)動(dòng)器的標(biāo)準(zhǔn)配置，采用高性能實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線的商品化驅(qū)動(dòng)器還沒(méi)有出現(xiàn)。這一方面是因?yàn)槲覀兊乃欧拘阅苓€沒(méi)有達(dá)到相應(yīng)的水準(zhǔn)，另一方面也是因?yàn)槭袌?chǎng)還沒(méi)有發(fā)育到這個(gè)程度。可喜的是，我們已經(jīng)看到一些單位進(jìn)行了有益的研發(fā)實(shí)踐，一方面消化國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，一方面嘗試推出自己的總線標(biāo)準(zhǔn)。

    總之，隨著生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，要求伺服系統(tǒng)向高精度、高速度、大功率方向發(fā)展。

    充分利用迅速發(fā)展的電子和計(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。

    開發(fā)高精度、快速檢測(cè)元件。

    開發(fā)高性能的伺服電機(jī)（執(zhí)行元件）。目前交流伺服電機(jī)的變速比已達(dá)1：10000，使用日益增多。無(wú)刷電機(jī)因無(wú)電刷和換向片零部件，加速性能要比直流伺服電機(jī)高兩倍，維護(hù)也較方便，常用于高速數(shù)控機(jī)床。

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     摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第十一期