国内外交流伺服系统的发展现状及趋势

进入20世纪50年代，微电子制造工艺的日益完善，使得数字信号处理器（DSP）运算速度呈几何级数上升，达到伺服环路高速实时控制的要求，一些运动控制芯片制造商还将电动机控制所必需的外围电路（如A-D转换器、位置/速度检测倍频计数器、PWM发生器等）与DSP内核集成为一体，使得伺服控制回路采样时间达到100μs以内，由单一芯片实现加减速自动控制，电子齿轮同步控制以及位置、速度和电流三环的数字化补偿控制。一些新的控制算法，如速度前馈、加速度前馈、低通滤波和陷波滤波等得以实现。另一方面，电力电子技术的发展，使得伺服系统主电路功率器件的开关频率由2～5kHz提升到15～20kHz，绝缘栅极双型晶体管（IGBT）及智能功率模块（IPM）均是这一时代的产物，从而提高了系统的稳定性，降低了系统的噪声。以上两个方面不仅是交流伺服实现数字化的基础，而且使得交流伺服趋于小型化。

无人化、规模化生产对加工设备提出了高速度、高准确度和高效率的要求，交流伺服系统具有高响应、免维护（无电刷、换向器等磨损元部件）和高可靠性等特点，正好满足这一需求。例如日本FANUC公司、三菱电机公司、安川电机公司、德国Siemens公司、美国AB公司及GE公司等分别在1984年前后将交流伺服系统付诸实用。目前，一些工业发达国家的伺服系统生产厂商基本上均能提供全数字交流伺服系统或者可以与自己的计算机数控（CNC）系统相配套，如日本FANUC公司、三菱电机公司、安川电机公司、松下公司、三洋电机公司以及德国Siemens公司等。

我国从20世纪70年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和科研单位，以军工和宇航卫星为主要应用方向，不考虑成本因素。主要研究机构有北京机床研究所、西安微电机研究所以及中科院沈阳自动化研究所等。80年代以后开始进入工业领域，直到2000年，国产伺服停留在批量小、价格高、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。2000年以后，随着中国变成世界工厂，制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间，国内几家单位开始推出自己品牌的交流伺服产品。目前，国内主要的伺服品牌或厂商有森创（和利时电机）、华中数控、广州数控、南京埃斯顿、兰州电机厂和沈阳高精度数控等厂商。其中华中数控和广州数控等主要集中在数控机床领域。

总结国内外伺服厂商的技术路线和产品路线，结合市场需求的变化，可以看到以下一些最新发展趋势：

（1）高效率化

尽管这方面的工作早就在进行，但是仍需要继续加强。主要包括电动机本身的高效率化，如永磁材料性能的改进和更好的磁铁安装结构设计，同时也包括驱动系统的高效率化、逆变器驱动电路的优化、加减速运动的优化、再生制动和能量反馈以及更好的冷却方式等。

（2）直接驱动

直接驱动包括采用盘式电动机的转台伺服驱动和采用直线电动机的线性伺服驱动，由于消除了中间传递误差，从而实现了高速化和高定位准确度。直线电动机容易改变形状的特点可以使采用线性直线机构的各种装置实现小型化和轻量化。

（3）高速、高精度、高性能化

采用更高精度的编码器（每转百万脉冲级），更高采样精度和数据位数、速度更快的DSP，无齿槽效应的高性能旋转电动机、直线电动机，以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略，不断将伺服系统的性能指标提高。

（4）一体化和集成化

电动机和反馈、控制、驱动、通信的纵向一体化成为当前小功率伺服系统的一个发展方向。我们称这种集成了驱动和通信功能的电动机叫智能化电动机（Smart Motor），我们把集成了运动控制和通信功能的驱动器叫做智能化伺服驱动器（Smart Servo Driver）。电动机、驱动和控制的集成使三者从设计、制造到运行、维护都更紧密地融为一体。但是这种方式面临更大的技术挑战（如可靠性）和工程师使用习惯的挑战，因此很难成为主流，在整个伺服市场中是一个很小但有特色的部分。

（5）通用化(www.xing528.com)

通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能，便于用户在不改变硬件配置的条件下，方便地设置成V/F控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元五种工作方式，适用于各种场合，可以驱动不同类型的电动机，比如异步电动机、永磁同步电动机、无刷直流电动机、步进电动机，也可以适应不同的传感器类型，甚至无位置传感器。可以使用电动机本身配置的反馈环节构成半闭环控制系统，也可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高准确度全闭环控制系统。

（6）智能化

现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能，绝大多数进口驱动器都具备负载转动惯量测定和自动增益调整功能，有的可以自动辨识电动机的参数，自动测定编码器零位，有的则能自动进行振动抑止。将电子齿轮、电子凸轮、同步跟踪、插补运动等控制功能和驱动结合在一起，则为伺服用户提供了更好的体验。

（7）网络化和模块化

将现场总线和工业以太网技术、甚至无线网络技术集成到伺服驱动器当中，已经成为欧洲和美国厂商的常用做法。现代工业局域网发展的重要方向和各种总线标准竞争的焦点就是如何适应高性能运动控制对数据传输实时性、可靠性、同步性的要求。随着国内对大规模分布式控制装置需求的上升，高档数控系统的开发成功，网络化数字伺服的开发已经成为当务之急。模块化不仅指伺服驱动模块、电源模块、再生制动模块和通信模块之间的组合方式，而且指伺服驱动器内部软件和硬件的模块化和可重用性。

（8）从故障诊断到预测性维护

随着机器安全标准的不断发展，传统的故障诊断和保护技术（问题发生的时候判断原因并采取措施避免故障扩大化）已经落伍，最新的产品嵌入了预测性维护技术，使得人们可以通过Internet及时了解重要技术参数的动态趋势，并采取预防性措施。比如：关注电流的升高，负载变化时评估尖峰电流，外壳或铁心温度升高时监视温度传感器，以及对电流波形发生的任何畸变保持警惕。

（9）专用化和多样化

虽然市场上存在通用型伺服产品系列，但是为某种特定应用场合专门设计制造的伺服系统比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形状、不同表面粘接结构，电动机转子出现了表面式永磁（SPM）和内置式永磁（IPM）结构。分割式铁心结构工艺在日本的使用使永磁无刷伺服电动机的生产实现了高效率、大批量和自动化，并引起国内厂商的研究。

（10）小型化和大型化

无论是永磁无刷伺服电动机还是步进电动机都积极向更小的尺寸发展，比如20mm、28mm和35mm外径等；同时也在发展更大功率和尺寸的机种，已经看到500kW永磁伺服电动机的出现。体现了电动机向两极化发展的倾向。