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。隨著技術(shù)的進(jìn)步和整個工業(yè)的不斷發(fā)展，拖動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用交流伺服驅(qū)動取代傳統(tǒng)的液壓、直流、步進(jìn)和AC變頻調(diào)速驅(qū)動，以便使系統(tǒng)性能達(dá)到一個全新的水平，包括更短的周期、更高的生產(chǎn)率、更好的可靠性和更長的壽命。

一、伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程

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)動的電機(jī)類型分為直流（DC）和交流（AC）伺服系統(tǒng)。20世紀(jì)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，20世紀(jì)70年代則是直流伺服電機(jī)的應(yīng)用最廣泛的時代。但直流伺服電機(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合，機(jī)械換向器則成為直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

從20世紀(jì)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)荷特性和低慣性體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。

交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動電動機(jī)的類型來分，主要有兩大類：永磁同步（SM型）電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步（IM型）電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)。其中，永磁同步電動機(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)動的要求。隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，其在工業(yè)生產(chǎn)自動化領(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)式異步電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)由于感應(yīng)式異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)堅固，制造容易，價格低廉，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，相對永磁同步電動機(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)簡單、電流跟隨性能好以及限制電動機(jī)起制動電流快速可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。

從伺服驅(qū)動產(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)成為工廠自動化等各個領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品。

二、伺服驅(qū)動產(chǎn)品概況

由于伺服驅(qū)動產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛，市場上的相關(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、伺服控制到運(yùn)動控制器、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和廠級監(jiān)控工作站等一應(yīng)俱全。

（一）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、矯頑力和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，大大地提高了電機(jī)的性能，同時又縮小了電機(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線數(shù)量從9根減少到5根，并支持增量型和絕對值型兩種類型，通信速率達(dá)4M/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～750W，中容量型的功率范圍為300W～15KW，大容量型的功率范圍為22KW～55KW。伺服電機(jī)的供電電壓范圍從100V～400V（單三相）。

（二）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，缺乏實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計算的能力，無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化控制理論指導(dǎo)下的控制算法等。所以現(xiàn)代伺服控制均采用全數(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，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

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，實(shí)現(xiàn)了在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及瞬態(tài)運(yùn)行時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)時檢測控制算法，是電機(jī)的低速性能得到進(jìn)一步提高，速度波動和轉(zhuǎn)矩波動降到最低。采用在線自動鎖定功能，使伺服系統(tǒng)的調(diào)試時間縮短，操作更加簡化。

4．采用主回路與控制回路進(jìn)行電氣隔離的結(jié)構(gòu)，使操作及故障檢測更加方便安全，供電電源電壓從100V擴(kuò)展到400V（單相/三相）。

5．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進(jìn)行反饋，在受控執(zhí)行機(jī)械部分沒有反饋采樣信號，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算完成修正。

6．用RICS（精簡指令計算機(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。

（三）上位控制

隨著工業(yè)機(jī)械化設(shè)備對高速化、高精度化和小型化以及多品種小批量化、高可靠性、免維護(hù)性能要求的提高，上位機(jī)控制群得以廣泛應(yīng)用。從上層的可編程控制器（PLC）、運(yùn)動控制器、機(jī)床CNC控制器，可一直連到底層的通用輸入/輸出（I/O）控制單元和視覺傳感系統(tǒng)。編程語言有梯形圖、NC語言、SFC語言、運(yùn)動控制語言等，均可按照用戶要求靈活配置。系統(tǒng)可控制軸數(shù)從單軸到可支持多達(dá)44軸，控制器可以連接從模擬信號到網(wǎng)絡(luò)信號的各種信號類型，可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造設(shè)備、加工機(jī)械、搬運(yùn)機(jī)械、卷揚(yáng)機(jī)械等，具有很高的性能價格比。

三、伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

從前面的討論可以看出，數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣，用戶對伺服驅(qū)動技術(shù)的要求也越來越高。總的來說，伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個方面：

（一）交流化

伺服技術(shù)將繼續(xù)迅速地由DC伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向AC伺服系統(tǒng)。從目前國際市場的情況看，幾乎所有的新產(chǎn)品都是AC伺服系統(tǒng)。在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，AC伺服電機(jī)的市場占有率已超過80%，在國內(nèi)生產(chǎn)AC伺服電機(jī)的廠家也越來越多，正在逐步超過生產(chǎn)DC伺服電機(jī)的廠家。可以預(yù)見，不久的將來，除了在某些微型電機(jī)領(lǐng)域之外，AC伺服電機(jī)將完全取代DC伺服電機(jī)。

（二）全數(shù)字化

采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機(jī)（DSP）的伺服控制單元將全面取代模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)方法成為可能。

（三）高度集成化

新的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。同一個控制單元，只要通過軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，就可以改變其性能，既可以使用電機(jī)本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

（四）智能化

智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為一種高級的工業(yè)控制裝置當(dāng)然也不例外。最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設(shè)計為智能型產(chǎn)品，他們的智能化特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）具有參數(shù)記憶功能。系統(tǒng)的所有參數(shù)都可以通過人機(jī)對話的方式由軟件來設(shè)置，保存在伺服單元內(nèi)部，通過通信接口，這些參數(shù)甚至可以在運(yùn)行途中由上位計算機(jī)加以修改；

2）具有故障自診斷與分析功能。無論什么時候，只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶面板清楚地顯示出來，這就簡化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性；（3）具有參數(shù)自整定的功能。眾所周知，閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運(yùn)行自動將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來，并自動實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)化。

（五）模塊化和網(wǎng)絡(luò)化

在國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動化（FactoryAutomation簡稱FA）工程技術(shù)在最近十年來得到了長足的發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢頭。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口（如RS—232C接口等）和專用的局域網(wǎng)接口。這些接口的設(shè)置，顯著增強(qiáng)了伺服單元與其它控制設(shè)備的互聯(lián)能力，從而與CNC系統(tǒng)間的連接也因此變得十分簡單，只需要一根電纜或光纜，就可以將數(shù)臺，甚至數(shù)十臺伺服單元與上位計算機(jī)連接成為整個數(shù)控系統(tǒng)。

綜上所述，伺服系統(tǒng)將向兩個方向發(fā)展：一個是滿足一般工業(yè)應(yīng)用的要求，對性能指標(biāo)要求不是很高的應(yīng)用場合，追求低成本、少維護(hù)、使用簡單等特點(diǎn)的驅(qū)動產(chǎn)品，如變頻電機(jī)、變頻器等；另一個就是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導(dǎo)產(chǎn)品——伺服電機(jī)、伺服控制器，追求高性能、高速度、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的驅(qū)動控制，以滿足用戶較高的要求。