交流伺服系統(tǒng)作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的重要驅(qū)動源之一，是工業(yè)自動化不可缺少的基礎(chǔ)技術(shù),。本文在總結(jié)當(dāng)前交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和研究與應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上,，對交流伺服系統(tǒng)的未來發(fā)展做出了展望,。

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(jī)器人,、數(shù)控機(jī)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(jī)和交流伺服電機(jī)性能比較
　
　　步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動機(jī),。 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。現(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(jī)步距角一般為3.6°,、1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72°,、0.36°,。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小,。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，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(jī)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(jī)的步距角,。 交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)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(jī)為例，對于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)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(jī)而言,，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機(jī)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(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655,。

2.2低頻特性不同

　　步進(jìn)電機(jī)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(jī)空載起跳頻率的一半,。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機(jī)器的正常運轉(zhuǎn)非常不利,。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械的剛性不足,，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT）,，可檢測出機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)一般不具有過載能力,。交流伺服電機(jī)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(jī)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(jī),，而機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī),。

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(jī)的種類不同,，又可分為兩種：一種是用永磁同步伺服電動機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，包括方波永磁同步電動機(jī)（無刷直流機(jī)）伺服系統(tǒng)和正弦波永磁同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)；另一種是用鼠籠型異步電動機(jī)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(jī)伺服系統(tǒng)中需要采用磁極位置傳感器而感應(yīng)電動機(jī)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(jī)和鼠籠型異步伺服電動機(jī)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(jī)的不同發(fā)展階段相聯(lián)系,，伺服電動機(jī)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(jī)驅(qū)動的液壓伺服馬達(dá)或以功率步進(jìn)電動機(jī)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(jī)的誕生和全盛發(fā)展的時代,，由于直流電動機(jī)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(jī),，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(jī)床的應(yīng)用領(lǐng)域，永磁式直流電動機(jī)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(jī)電一體化時代作為背景的，由于伺服電動機(jī)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(jī)（方波驅(qū)動），交流伺服電動機(jī)（正弦波驅(qū)動）等種種新型電動機(jī),。
　　
　　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(jī)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(jī)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(jī)實現(xiàn)的,。這是因為基于微機(jī)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(jī)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,。

　?。?） 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,。

　?。?） 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(jī)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(jī)聯(lián)運，可隨時改變控制參數(shù),。

　?。?） 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,。

　?。?） 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(jī)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(jī)性能快速提高,，與感應(yīng)電動機(jī)和普通同步電動機(jī)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(jī)逐漸成為交流伺服系統(tǒng)執(zhí)行電動機(jī)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(jī)材料的性能,，改進(jìn)電機(jī)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,。“軟形式”上存在從控制策略的角度著手提高伺服系統(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?？刂撇呗砸蕴岣呦到y(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(jī)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(jī),、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(jī)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(jī)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(jī)技術(shù),、微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)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(jī),。
　
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