閱覽次數：819作者：張巨集波單位：
交流伺服系統作為現代工業生產裝置的重要驅動源之一，是工業自動化不可缺少的基礎技術。本文在總結當前交流伺服系統的發展趨勢和研究與應用成果的基礎上，對交流伺服系統的未來發展做出了展望。
1.0概述
目前，基於稀土永磁體的交流永磁伺服驅動系統，能提供最高水平的動態響應和扭矩密度。所以拖動系統的發展趨勢是用交流伺服驅動取替傳統的液壓、直流和步進調速驅動，以便使系統效能達到乙個全新的水平，包括更短的週期、更高的生產率、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角色的自動控制系統，在許多高科技領域得到了非常廣泛的應用，如雷射加工、機械人、數控工具機、大規模積體電路製造、辦公自動化裝置、雷達和各種軍用**隨動系統、以及柔性製造系統（fms－flexible manufacturing system）等。
2.0步進電機和交流伺服電機效能比較
步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯絡。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用於數字控制系統中。
為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多採用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈衝串和方向訊號），但在使用效能和應用場合上存在著較大的差異。現就二者的使用效能作一比較。
2.1控制精度不同
兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為
0.72°、0.36°。
也有一些高效能的步進電機步距角更小。如四通公司生產的一種用於慢走絲工具機的步進電機，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（berger lahr）生產的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設定為1.
8°、0.9°、0.72°、0.
36°、0.18°、0.09°、0.
072°、0.036°，相容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。交流伺服電機的控制精度由電機軸後端的旋轉編碼器保證。
以松下全數字式交流伺服電機為例，對於帶標準2500線編碼器的電機而言，由於驅動器內部採用了四倍頻技術，其脈衝當量為360°/10000=0.036°。對於帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈衝電機轉一圈，即其脈衝當量為360°/131072=9.
89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈衝當量的1/655。
2.2低頻特性不同
步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器效能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對於機器的正常運轉非常不利。
當步進電機工作在低速時，一般應採用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上採用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，並且系統內部具有頻率解析機能（fft），可檢測出機械的共振點，便於系統調整。
2.3矩頻特性不同
步進電機的輸出力矩隨轉速公升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600rpm。交流伺服電機為恆力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000rpm或3000rpm）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恆功率輸出。
2.4過載能力不同
步進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
服系統為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用於克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進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矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那麼大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。
2.5執行效能不同
步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過衝的現象，所以為保證其控制精度，應處理好公升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋訊號進行取樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過衝的現象，控制效能更為可靠。
2.6速度響應效能不同
步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服系統的加速效能較好，以松下msma400w交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000rpm僅需幾毫秒，可用於要求快速啟停的控制場合。
綜上所述，交流伺服系統在許多效能方面都優於步進電機。
3.0交流伺服系統的分類
交流伺服系統根據其處理訊號的方式不同，可以分為模擬式伺服、數字模擬混合式伺服和全數字式伺服；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成的伺服系統，包括方波永磁同步電動機（無刷直流機）伺服系統和正弦波永磁同步電動機伺服系統；另一種是用鼠籠型非同步電動機構成的伺服系統。。若採用微處理器軟體實現伺服控制，可以使永磁同步伺服電動機和鼠籠型非同步伺服電動機使用同一套伺服放大器。
4.0交流伺服系統的發展與數位化控制的優點
伺服系統的發展緊密地與伺服電動機的不同發展階段相聯絡，伺服電動機至今已有五十多年的發展歷史，經歷了三個主要發展階段：
第乙個發展階段（20世紀60年代以前），此階段是以步進電動機驅動的液壓伺服馬達或以功率步進電動機直接驅動為中心的時代，伺服系統的位置控制為開環系統。
第二個發展階段（20世紀60－70年代），這一階段是直流伺服電動機的誕生和全盛發展的時代，由於直流電動機具有優良的調速效能，很多高效能驅動裝置採用了直流電動機，伺服系統的位置控制也由開環系統發展成為閉環系統。在數控工具機的應用領域，永磁式直流電動機佔統治地位，其控制電路簡單，無勵磁損耗，低速效能好。
第三個發展階段（20世紀80年代至今），這一階段是以機電一體化時代作為背景的，由於伺服電動機結構及其永磁材料、控制技術的突破性進展，出現了無刷直流伺服電動機（方波驅動），交流伺服電動機（正弦波驅動）等種種新型電動機。
進入20世紀80年代後，因為微電子技術的快速發展，電路的整合度越來越高，對伺服系統產生了很重要的影響，交流伺服系統的控制方式迅速向微機控制方向發展，並由硬體伺服轉向軟體伺服，智慧型化的軟體伺服將成為伺服控制的乙個發展趨勢。
伺服系統控制器的實現方式在數字控制中也在由硬體方式向著軟體方式發展；在軟體方式中也是從伺服系統的外環向內環、進而向接近電動機環路的更深層發展。
目前，伺服系統的數字控制大都是採用硬體與軟體相結合的控制方式，其中軟體控制方式一般是利用微機實現的。這是因為基於微機實現的數字伺服控制器與模擬伺服控制器相比，具有下列優點：
（1）能明顯地降低控制器硬體成本。速度更快、功能更新的新一代微處理機不斷湧現，
硬體費用會變得很便宜。體積小、重量輕、耗能少是它們的共同優點。
（2）可顯著改善控制的可靠性。積體電路和大規模積體電路的平均無故障時（mtbf）大大長於分立元件電子電路。
（3）數位電路溫度漂移小，也不存在引數的影響，穩定性好。
（4）硬體電路易標準化。在電路整合過程中採用了一些遮蔽措施，可以避免電力電子電路中過大的瞬態電流、電壓引起的電磁干擾問題，因此可靠性比較高。
（5）採用微處理機的數字控制，使資訊的雙向傳遞能力大大增強，容易和上位系統機聯運，可隨時改變控制引數。
（6）可以設計適合於眾多電力電子系統的統一硬體電路，其中軟體可以模組化設計，拼裝構成適用於各種應用物件的控制演算法；以滿足不同的用途。軟體模組可以方便地增加、更改、刪減，或者當實際系統變化時徹底更新。
（7）提高了資訊存貯、監控、診斷以及分級控制的能力,使伺服系統更趨於智慧型化。
（8）隨著微機晶元運算速度和存貯器容量的不斷提高，效能優異但演算法複雜的控制策略有了實現的基礎。
5.0高效能交流伺服系統的發展現狀和展望
近10年來，永磁同步動機效能快速提高，與感應電動機和普通同步電動機相比，其控制簡單、良好的低速執行效能及較高的價效比等優點使得永磁無刷同步電動機逐漸成為交流伺服系統執行電動機的主流。尤其是在高精度、高效能要求的中小功率伺服領域。而交流非同步伺服系統仍主要集中在效能要求不高的、大功率伺服領域。
自20世紀80年代後期以來，隨著現代工業的快速發展，對作為工業裝置的重要驅動源之一的伺服系統提出了越來越高的要求，研究和發展高效能交流伺服系統成為國內外同仁的共識。有些努力已經取得了很大的成果，「硬形式」上存在包括提高製作電機材料的效能，改進電機結構，提高逆變器和檢測元件效能、精度等研究方向和努力。「軟形式」上存在從控制策略的角度著手提高伺服系統效能的研究和探索。
如採用「卡爾曼濾波法」估計轉子轉速和位置的「無速度感測器化」；採用高效能的永磁材料和加工技術改進pmsm轉子結構和效能，以通過消除/削弱因齒槽轉矩所造成的pmsm轉矩脈動對系統效能的影響；採用基於現代控制理論為基礎的具有將強魯棒性的滑模控制策略以提高系統對引數攝動的自適應能力；在傳統pid控制基礎上進入非線性和自適應設計方法以提高系統對非線性負載類的調節和自適應能力；基於智慧型控制的電機引數和模型識別，以及負載特性識別。
對於發展高效能交流伺服系統來說，由於在一定條件下，作為「硬形式」存在的伺服電機、逆變器以相應反饋檢測裝置等效能的提高受到許多客觀因數的制約；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展，尤其智慧型控制的興起和不斷成熟，加之計算機技術、微電子技術的迅猛發展，使得基於智慧型控制的先進控制策略和基於傳統控制理論的傳統控制策略的「整合」得以實現，並為其實際應用奠定了物質基礎。
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」，同時伺服物件也存在較強的不確定性和非線性，加之系統執行時受到不同程度的干擾，因此按常規控制策略很難滿足高效能伺服系統的控制要求。為此，如何結合控制理論新的發展，引進一些先進的「複合型控制策略」以改進「控制器」效能是當前發展高效能交流伺服系統的乙個主要「突破口」。
6.0結束語
21世紀是乙個嶄新的世紀，也定將是各項科學技術飛速發展的世紀。相信隨著材料
技術、電力電子技術、控制理論技術、計算機技術、微電子技術的快速發展以及電機製造工藝水平的逐步提高，同時伴隨著製造業的不斷公升級和「柔性製造技術」的快速發展，必將為「柔性加工和製造技術」的核心技術之一的「伺服驅動技術」迎來又一大好的發展時機。
作者單位：長春市創高商貿有限責任公司位址：長春市矽谷大街矽谷大廈218室email：
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