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)動系統(tǒng)，能提供最高水平的動態(tài)響應(yīng)和扭矩密度。所以拖動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用交流伺服驅(qū)動取替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓、直流和步進(jìn)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。因此，交流伺服這樣一種扮演重要支柱技術(shù)角色的自動控制系統(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、機器人、數(shù)控機床、大規(guī)模集成電路制造、辦公自動化設(shè)備、雷達(dá)和各種軍用武器隨動系統(tǒng)、以及柔性制造系統(tǒng)（FMS－Flexible Manufacturing System）等。

2.0 步進(jìn)電機和交流伺服電機性能比較 　

步進(jìn)電機是一種離散運動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機的應(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，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。

雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場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)電機步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進(jìn)電機步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進(jìn)電機，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機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)電機的步距角。

交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機轉(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)電機的脈沖當(dāng)量的1/655。

2.2低頻特性不同

步進(jìn)電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)等。

交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。

2.3矩頻特性不同

步進(jìn)電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，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)電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。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)載在啟動瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。

    2.5運行性能不同

    步進(jìn)電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(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)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機的丟步或過沖的現(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。

    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機的種類不同，又可分為兩種：一種是用永磁同步伺服電動機構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，包括方波永磁同步電動機（無刷直流機）伺服系統(tǒng)和正弦波永磁同步電動機伺服系統(tǒng)；另一種是用鼠籠型異步電動機構(gòu)成的伺服系統(tǒng)。二者的不同之處在于永磁同步電動機伺服系統(tǒng)中需要采用磁極位置傳感器而感應(yīng)電動機伺服系統(tǒng)中含有滑差頻率計算部分。若采用微處理器軟件實現(xiàn)伺服控制，可以使永磁同步伺服電動機和鼠籠型異步伺服電動機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

    伺服系統(tǒng)的發(fā)展緊密地與伺服電動機的不同發(fā)展階段相聯(lián)系，伺服電動機至今已有五十多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了三個主要發(fā)展階段：

    第一個發(fā)展階段（20世紀(jì)60年代以前），此階段是以步進(jìn)電動機驅(qū)動的液壓伺服馬達(dá)或以功率步進(jìn)電動機直接驅(qū)動為中心的時代，伺服系統(tǒng)的位置控制為開環(huán)系統(tǒng)。

    第二個發(fā)展階段（20世紀(jì)60－70年代），這一階段是直流伺服電動機的誕生和全盛發(fā)展的時代，由于直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，很多高性能驅(qū)動裝置采用了直流電動機，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)控機床的應(yīng)用領(lǐng)域，永磁式直流電動機占統(tǒng)治地位，其控制電路簡單，無勵磁損耗，低速性能好。

    第三個發(fā)展階段（20世紀(jì)80年代至今），這一階段是以機電一體化時代作為背景的，由于伺服電動機結(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機（方波驅(qū)動），交流伺服電動機（正弦波驅(qū)動）等種種新型電動機。

    進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，因為微電子技術(shù)的快速發(fā)展，電路的集成度越來越高，對伺服系統(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發(fā)展趨勢。

    伺服系統(tǒng)控制器的實現(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)而向接近電動機環(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實現(xiàn)的。這是因為基于微機實現(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：

    （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不斷涌現(xiàn)，硬件費用會變得很便宜。體積小、重量輕、耗能少是它們的共同優(yōu)點。
    （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（MTBF）大大長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） 采用微處理機的數(shù)字控制，使信息的雙向傳遞能力大大增強，容易和上位系統(tǒng)機聯(lián)運，可隨時改變控制參數(shù)。
    （6） 可以設(shè)計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，拼裝構(gòu)成適用于各種應(yīng)用對象的控制算法；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)實際系統(tǒng)變化時徹底更新。
    （7） 提高了信息存貯、監(jiān)控、診斷以及分級控制的能力,使伺服系統(tǒng)更趨于智能化。
    （8） 隨著微機芯片運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，永磁同步動機性能快速提高，與感應(yīng)電動機和普通同步電動機相比，其控制簡單、良好的低速運行性能及較高的性價比等優(yōu)點使得永磁無刷同步電動機逐漸成為交流伺服系統(tǒng)執(zhí)行電動機的主流。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，對作為工業(yè)設(shè)備的重要驅(qū)動源之一的伺服系統(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)成為國內(nèi)外同仁的共識。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材料的性能，改進(jìn)電機結(jié)構(gòu)，提高逆變器和檢測元件性能、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)矩脈動對系統(tǒng)性能的影響；采用基于現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的具有將強魯棒性的滑模控制策略以提高系統(tǒng)對參數(shù)攝動的自適應(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)計方法以提高系統(tǒng)對非線性負(fù)載類的調(diào)節(jié)和自適應(yīng)能力；基于智能控制的電機參數(shù)和模型識別，以及負(fù)載特性識別。

對于發(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、逆變器以相應(yīng)反饋檢測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，加之計算機技術(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”得以實現(xiàn)，并為其實際應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

    伺服電機自身是具有一定的非線性、強耦合性及時變性的“系統(tǒng)”，同時伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運行時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)的一個主要“突破口”。

    6.0結(jié)束語

    21世紀(jì)是一個嶄新的世紀(jì)，也定將是各項科學(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)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及電機制造工藝水平的逐步提高，同時伴隨著制造業(yè)的不斷升級和“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)動技術(shù)”迎來又一大好的發(fā)展時機。