信息化技術(shù)應(yīng)用篇：交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展和展望

1.0 概述

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(shì)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(zhǎng)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、大規(guī)模集成電路制造、辦公自動(dòng)化設(shè)備、雷達(dá)和各種軍用武器隨動(dòng)系統(tǒng)、以及柔性制造系統(tǒng)（FMS－Flexible Manufacturing System）等。

2.0 步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)性能比較 　

步進(jìn)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(guó)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(shì)，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（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。

2.1控制精度不同

兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.09°；德國(guó)百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。

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°/10000=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=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。

2.2低頻特性不同

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（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。

2.3矩頻特性不同

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300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）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。

2.4過載能力不同 

 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。步進(jìn)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。

    2.5運(yùn)行性能不同

    步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(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，控制性能更為可靠。

    2.6速度響應(yīng)性能不同

    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毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)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)。

    3.0 交流伺服系統(tǒng)的分類

    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)（無刷直流機(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。

    4.0 交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展與數(shù)字化控制的優(yōu)點(diǎn)

    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)發(fā)展階段（20世紀(jì)60年代以前），此階段是以步進(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)發(fā)展階段（20世紀(jì)60－70年代），這一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(jiǎn)單，無勵(lì)磁損耗，低速性能好。

    第三個(gè)發(fā)展階段（20世紀(jì)80年代至今），這一階段是以機(jī)電一體化時(shí)代作為背景的，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)。

    進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，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(shì)。

    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。

    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)：

    （1） 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、耗能少是它們的共同優(yōu)點(diǎn)。
    （2） 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)（MTBF）大大長(zhǎng)于分立元件電子電路。
    （3） 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。
    （4） 硬件電路易標(biāo)準(zhǔn)化。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。
    （5） 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)。
    （6） 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。
    （7） 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。
    （8） 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)。

    5.0 高性能交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和展望

    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(jiǎn)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。

    自20世紀(jì)80年代后期以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)作為工業(yè)設(shè)備的重要驅(qū)動(dòng)源之一的伺服系統(tǒng)提出了越來越高的要求，研究和發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)成為國(guó)內(nèi)外同仁的共識(shí)。有些努力已經(jīng)取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作電機(jī)材料的性能，改進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)，提高逆變器和檢測(cè)元件性能、精度等研究方向和努力?！败浶问健鄙洗嬖趶目刂撇呗缘慕嵌戎痔岣咚欧到y(tǒng)性能的研究和探索。如采用“卡爾曼濾波法”估計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置的“無速度傳感器化”；采用高性能的永磁材料和加工技術(shù)改進(jìn)PMSM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和性能，以通過消除/削弱因齒槽轉(zhuǎn)矩所造成的PMSM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響；采用基于現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的具有將強(qiáng)魯棒性的滑?？刂撇呗砸蕴岣呦到y(tǒng)對(duì)參數(shù)攝動(dòng)的自適應(yīng)能力；在傳統(tǒng)PID控制基礎(chǔ)上進(jìn)入非線性和自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法以提高系統(tǒng)對(duì)非線性負(fù)載類的調(diào)節(jié)和自適應(yīng)能力；基于智能控制的電機(jī)參數(shù)和模型識(shí)別，以及負(fù)載特性識(shí)別。

對(duì)于發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)來說，由于在一定條件下，作為“硬形式”存在的伺服電機(jī)、逆變器以相應(yīng)反饋檢測(cè)裝置等性能的提高受到許多客觀因數(shù)的制約；而以“軟形式”存在的控制策略具有較大的柔性，近年來隨著控制理論新的發(fā)展，尤其智能控制的興起和不斷成熟，加之計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得基于智能控制的先進(jìn)控制策略和基于傳統(tǒng)控制理論的傳統(tǒng)控制策略的“集成”得以實(shí)現(xiàn)，并為其實(shí)際應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

    伺服電機(jī)自身是具有一定的非線性、強(qiáng)耦合性及時(shí)變性的“系統(tǒng)”，同時(shí)伺服對(duì)象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)受到不同程度的干擾，因此按常規(guī)控制策略很難滿足高性能伺服系統(tǒng)的控制要求。為此，如何結(jié)合控制理論新的發(fā)展，引進(jìn)一些先進(jìn)的“復(fù)合型控制策略”以改進(jìn)“控制器”性能是當(dāng)前發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)的一個(gè)主要“突破口”。

    6.0結(jié)束語

    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)。