伺服系統(tǒng)是機(jī)電產(chǎn)品中的重要環(huán)節(jié)，其控制性能反映了機(jī)電設(shè)備的控制質(zhì)量。本文介紹了伺服技術(shù)的發(fā)展過程、技術(shù)特點(diǎn)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，并具體闡述了伺服系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)。
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，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也取得了極大的進(jìn)步，伺服系統(tǒng)已進(jìn)入全數(shù)字化和交流化的時(shí)代。
1 伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程
1.1 直流伺服技術(shù)
伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程。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）伺服系統(tǒng)和交流（AC）伺服系統(tǒng)。50年代，無刷電機(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。70年代則是直流伺服電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛的時(shí)代。
1.2 交流伺服技術(shù)
從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。交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。
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。并且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)來說控制比較復(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地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。速度環(huán)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)。
1.3 交直流伺服技術(shù)的比較
直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)受電機(jī)本身缺陷的影響，其發(fā)展受到了限制。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。
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)械部件所帶來的各種缺點(diǎn)，特別是交流伺服電機(jī)的過負(fù)荷特性和低慣性更體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。所以交流伺服系統(tǒng)在工廠自動(dòng)化（FA）等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
從伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品當(dāng)前的應(yīng)用來看，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)成為主流產(chǎn)品。
2 伺服系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展
伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展與磁性材料技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、通信技術(shù)、組裝技術(shù)、生產(chǎn)工藝水平等基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。
磁性材料中，特別是永久磁性材料性能的提高是伺服電機(jī)高性能化、小型化所不可缺少的重要條件。以日本安川公司伺服電機(jī)產(chǎn)品的磁性材料為例，其磁性材料的磁能積由原來的10MGOe提高到30MGOe，從70年代到90年代的這段時(shí)間提高了3倍。
半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)入了全數(shù)字化時(shí)期，伺服控制器的小型化指標(biāo)取得了很大的進(jìn)步。LSI（大規(guī)模集成電路）的精細(xì)加工技術(shù)以及開關(guān)特性的改善使高速開關(guān)器件的應(yīng)用成為主流。IGBT（絕緣柵雙極型場(chǎng)效應(yīng)管）已經(jīng)發(fā)展到了第四代產(chǎn)品，其性能則提高了5倍以上。微處理器（CPU）性能的大幅度增強(qiáng)也使伺服控制器的復(fù)雜運(yùn)算速度和多功能處理能力得以提高，同時(shí)也為產(chǎn)品的小型化創(chuàng)造了條件。
交流伺服控制器硬件環(huán)境的改善以及交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和制造材料的改進(jìn)為更加快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制機(jī)械設(shè)備創(chuàng)造了很好的條件。
在全數(shù)字控制方式下，伺服控制器實(shí)現(xiàn)了伺服控制的軟件化。現(xiàn)在很多新型的伺服控制器都采用了多種新算法。目前比較常用的算法主要有PID/IPD（比例微分積分/）控制切換、前饋控制、速度實(shí)時(shí)監(jiān)控、共振抑制控制、可變?cè)鲆婵刂啤⒄駝?dòng)抑制控制、模型規(guī)范適應(yīng)控制、反復(fù)控制、預(yù)測(cè)控制、模型跟蹤控制、在線自動(dòng)修正控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、H∞控制等。通過采用這些功能算法，可以使伺服控制器的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可操作性都達(dá)到了很高的水平。
3 伺服系統(tǒng)的應(yīng)用
隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，用戶對(duì)所需產(chǎn)品提出了更高的技術(shù)要求和更合理的性能價(jià)格比。伺服系統(tǒng)以其出色的性能滿足了各種產(chǎn)品制造廠家近乎苛刻的要求，從而能夠?qū)Ξa(chǎn)品的加工過程、加工工藝和綜合性能進(jìn)行改造。在機(jī)電一體化設(shè)備上伺服系統(tǒng)的使用更加廣泛，幾乎工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域都成為伺服系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象。表1列出了伺服系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。
4.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、伺服控制器到運(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級(jí)和廠級(jí)監(jiān)控工作站等一應(yīng)俱全。對(duì)于用戶而言可以很方便地根據(jù)實(shí)際需要靈活選用。下面以安川公司的伺服產(chǎn)品為例做一介紹。
4.1 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、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)/s，通信周期為62.5μs，數(shù)據(jù)長度為12位，編碼器分辨率為20bit/rev，即每轉(zhuǎn)生成100萬個(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到750W，中容量型的功率范圍為300W到15KW，大容量型的功率范圍為22KW到55KW。伺服電機(jī)的供電電壓范圍從100V到400V（單相/三相）。
4.2 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)，缺乏實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計(jì)算的能力，無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下的控制算法等。所以現(xiàn)代伺服控制器均采用全數(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)代的矢量控制思想，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。如安川公司的伺服控制器就采用了許多新的技術(shù)手段來提高其產(chǎn)品的性能，其中主要有以下幾個(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，通過硬件來進(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。使用d—q軸變換電流控制，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，使電機(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)設(shè)定功能，使伺服系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間縮短，操作更加簡(jiǎn)單。
（4）為了使用戶更加靈活地使用伺服系統(tǒng)，一些產(chǎn)品上增加了可擴(kuò)展性以及柔性化、開放性設(shè)計(jì)。用戶可以通過修改內(nèi)部參數(shù)，選擇控制算法，或者使用高級(jí)語言進(jìn)行編程，更加靈活的使用伺服產(chǎn)品。
（5）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）。
（6）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計(jì)算完成修正。
（7）采用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，專用控制器門陣列數(shù)量超過了10萬門。
4.3 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
