浅析交流伺服系统的现状与发展前景

刘扬+林毅+姜一晖

摘要： 交流伺服系统是运动控制系统的重要组成部分，随着现代工业技术的发展和微电子技术进步，与交流伺服系统相关的各种硬件和控制技术获得了快速发展。随着交流伺服系统性能的提升和价格的降低，其逐渐成为现代伺服驱动系统的发展趋势。文章从交流伺服系统的概况、应用现状和发展趋势等方面进行了简要分析。

Abstract： Ac servo system is an important part of the motion control system.With the development of the modern industry technology， the hardware and the control technology of the ac servo system have been developed quickly. With the increased performance of the ac servo system and the lower price， the ac servo system has become the trend of the modern servo system. The article analyses the general situation， application status and the trends.

关键词： 伺服系统；技术特点；应用现状；发展趋势

Key words： servo system；technical characteristics；application status；trend in development

中图分类号：TM921.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）20-0034-02

1 交流伺服系统简介

“伺服”一词来自英文单词Servo的音译，是指运动系统按照人们的外部指令要求进行运动。随着科技的发展，伺服系统从一开始的液压模式发展到目前的电气模式。电气伺服系统主要由伺服电机、反馈和控制装置组成。其中伺服电机是运动的主要执行部件。随着交流伺服电机技术的进步，伺服系统的主导执行电机的直流电机逐步为交流电机取代。控制装置的主要作用是伺服系统的闭环控制，主要是力矩、速度和位置等。

2 交流伺服系统的发展现状

2.1 交流伺服系统的分类 首先，交流伺服系统按照接受和处理指令信号的方式可分为以下三类：模拟式伺服系统、数字模拟混合式伺服系统和全数字式伺服系统。其次，按照伺服系统的伺服电机来分也可以分为两类，一是利用永磁同步伺服电机组成的伺服系统，二是用鼠笼式异步电机构成的伺服系统。

2.2 目前交流伺服系统相关产品的概况和性能分析 随着交流伺服系统在国民经济中的应用日趋广泛，目前市场上与交流伺服系统相关的产品种类日益齐全，从交流伺服电机、变频器、各类伺服控制器到车间和厂级监控工作站等一应俱全。

2.2.1 伺服电机 目前市场上的伺服电机按照容量可以分为超小型、小型、中型和大型。由于永磁材料制造技术不断提高，以铷铁硼为代表的新型永磁材料被用于永磁伺服电机的制造。由于该型永磁材料各方面的性能十分出色，同时交流伺服电机也采用了更合理的结构设计。此外，最新的交流伺服电机还采用了更先进的位置编码器，虽然信号线减少为5根，但是通信速率、通信周期、数据长度和分辨率等指标却有较大提高。这些新材料新技术的应用使得伺服电机在体积不断缩小的情况下，性能却得到大幅度的提升。

2.2.2 伺服控制器 由于传统的模拟控制存在系统调试困难、易产生漂移、不易复杂计算，无法实现现代控制算法等缺点，随着伺服系统的发展，传统的模拟控制逐步为采用全数字化结构，伺服控制系统以现代矢量控制思想实现了电流向量的幅值控制和相位控制的现代伺服系统取代。其先进的技术和工艺主要有以下几方面：①现代伺服系统一般采用将控制算法固化在专用硬件环路中的方式利用硬件来进行电流环控制，减少了主CPU的运算量。并采用高速的d-q轴变换电流单元提高了转矩控制精度，保证了系统在稳态及瞬态运行时都具有良好性能。②最新的伺服控制器采用了具有脉冲编码器倍增功能，使伺服系统位置控制的整定时间大为缩短。③利用速度实时检测控制算法来提高伺服电机的低速性能，进一步降低了速度波动和转矩波动。同时采用在线自动锁定功能，缩短了调试时间，增加了操作的便利性。④最新的伺服控制器采用了全闭环的控制方式，使伺服控制器能够对系统各个部分的运动误差通过计算进行必要的修正。⑤由于精简指令计算机系统技术的应用，使主CPU的数据处理能力提高到32位，运算处理速度大为加快，精度也有大幅度的提高。

2.2.3 上位控制群的广泛应用 随着科技的发展和生产工艺的提高，工业生产对于机械化设备的高速度、高精度和小型化的要求越来越高，因此上位机控制群的应用越来越广泛。这种控制系统具有可从上层直连到底层的通用输入、输出控制单元以及视觉传感系统。编程语言可按照用户要求进行选择和配置。可广泛应用于各种工业机械，性价比很高。

2.3 我国交流伺服系统的主要差距 交流伺服系统的性能指标主要包括调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性等五方面。我国现阶段的伺服系统与国外先进水平还有一定的差距。首先，国外高性能伺服电机的响应频率已经高达900Hz，而国产的绝大部分产品的频率都在200～500Hz，差距是非常明显的。其次，国产产品在系统运行的稳定性方面和世界先进水平也存在较大差距。最后，由于国外对伺服控制技术的封锁，使得以软形式进行伺服控制的伺服系统的核心技术与世界先进水平存在较大的差距，严重制约了我国高性能伺服系统的发展，因此研发最先进的永磁同步电机伺服控制技术已经成为这一领域当前最为迫切的任务之一。

3 交流伺服系统的发展前景分析endprint

3.1 交流伺服系统的应用前景 现代交流伺服系统首先被应用到的是具有高精度控制要求的宇航和军事领域，例如火箭发动机、导弹发射车和雷达控制等方面。随着技术的不断进步，和生产精度和自动化要求的不断提高这一技术逐渐进入到工业和民用领域，并得到迅速发展和广泛应用。在工业方面主要用于高精度数控机床、智能机器人以及其他的数控机械。在数控机床中的部分高端产品已经开始采用永磁交流直线伺服系统。由于科技和经济的不断发展，工业生产中对于工业机械的高精度要求以及工业机械向自动化、数字化和智能化不断发展，同时，由于机电一体化技术的不断成熟，自动驾驶技术和智能化楼宇的出现标志着这一技术已经逐步走进我们的日常生活。因此，交流伺服系统在未来必将得到越来越广泛的应用。

3.2 交流伺服系统的发展方向分析

3.2.1 数字化 随着数字技术和微处理技术的不断进步，以模拟电子器件为主的伺服控制单元将会被采用全数字处理器的伺服控制单元全面取代，从而实现伺服系统全数字化。在伺服控制方面将逐步转变为软件控制，以便在伺服系统中应用现代先进的控制方法。

3.2.2 高集成化 下一代伺服系统将采用高集成化的多功能控制单元。对每一个控制单元，均可以通过软件对系统参数进行重新设置，以改变伺服系统的性能适应不同用户的需求，既可以使用内置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口连接外部传感器构成全闭环调节系统。

3.2.3 智能化 智能化是目前自动控制的一个发展方向，因此伺服驱动系统智能化是一种必然趋势。最新伺服控制单元的智能化特点主要有：①参数记忆功能。所有参数都可以保存在伺服单元内部，甚至可以在运行过程中由上位计算机实时加以修正；②故障自查与分析功能。当系统出现故障时，其类型和可能的原因可以清楚地显示出来，以便于维修和调试；③参数自整定的功能。新一代的伺服单元能够通过试运行自动进行系统的参数整定和优化。

3.2.4 模块化和网络化 为适应工厂自动化的迅猛发展，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信及局域网接口。以便增强伺服单元与其它控制设备的互联能力，从而使数台以至数十台伺服单元与上位控制计算机连接形成一个完整庞大的数控系统。有效提升了工厂自动化的水平。

4 结束语

随着科技的发展，运动控制领域的自动化水平不断提高。在此背景下，作为运动控制核心的交流伺服系统的发展日新月异。伺服控制控制有传统的模拟控制向数字化、智能化和网络化不断迈进。本文对交流伺服系统的的构成、应用现状以及未来的发展趋势进行了简要的讨论，限于篇幅，分析不够深入，以供大家参考。

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