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排列3 www.jeimw.cn 国内外交流伺服系统发展现状及趋势

伺服来自英文单词 Servo,是指控制系统跟随外部指令进行人们所期望的机 械运动,机械运动要素包括位置、速度和转矩 [1] 。伺服系统经历了从液压、气动 再到电气的发展过程,而电气伺服系统包括伺服电机、传感器反馈装置和运动控 制器。最早是在 20 世纪 60 年代,直流电机作为主要的执行部件,而在 70 年代以 后,交流伺服电机的性价比不断提高,逐步取代了直流电机成为伺服系统的主导 执行电机 [2] 。运动控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制,包括转矩、速度和 位置控制等。虽然在 90 年代在经济型数控领域采用功率步进电机直接驱动的开环 伺服系统曾获得广泛应用,但迅速被交流伺服系统所取代 [3] 。 从 20 世纪 80 年代以来,随着现代电机技术、微电子技术、现代电力电子技 术、计算机技术及控制技术等支撑技术的快速发展,交流伺服系统控制技术得到 了极大的发展,使得先前困扰着交流伺服系统的电机调速性能差和控制复杂等问 题取得了突破性的进展,交流伺服系统的性能日益提高并且价格趋于合理,使得 交流伺服系统逐渐取代了直流伺服系统,特别是在有着高准确度、高性能要求的 伺服驱动领域中成为了电伺服驱动系统的一个发展趋势。目前交流伺服控制技术 已成为工业自动化的支撑技术之一 [4] 。 交流伺服控制技术是决定交流伺服控制系统性能的关键技术之一,是国外交 流伺服控制技术封锁的主要部分 [5] 。

随着国内交流伺服电机等硬件技术的逐步成 熟,以软件形式嵌入控制芯片中的伺服控制技术成为了制约我国高性能交流伺服 控制技术及产品发展的瓶颈 [6] 。研究具备自主知识产权的高性能交流伺服控制技 术是非常必要的,尤其是最有应用前景的永磁同步电机交流伺服控制技术。 然而在交流伺服系统的实际运行过程中,外界因素如负载的波动会对伺服系 统的控制精度造成不良影响。高性能的永磁同步电机应能保证在稳态运行的情况 下无静差,动态运行的情况下能对输入指令做出快速的响应。因此,对于某些存 在不确定负载波动的工况下,交流伺服系统应具备一定的抗扰性。

国内外交流伺服系统发展现状及趋势 随着电子制造工艺的日益完善,数字信号处理器运算速度正在呈几何级数上 升,已经达到了伺服系统高速实时控制的要求 [7] 。因此,美国的 GE 公司和 AB 公司、德国 Siemens 公司、日本的 FANUC 公司、三菱电机公司等分别在 1984 年前后将数字化交流伺服系统付诸实用 [8] 。数字化交流伺服是将新型高速微处理器 或者是专用的数字信号处理器代替了以模拟电子器件,将原有的硬件伺服控制方 法变成了软件伺服控制技术,从而使得一些新的控制方法(如速度前馈和加速度 前馈控制、数字低通滤波和陷波滤波器等)和现代控制理论的先进算法(如:人 工智能、最优控制、自适应控制等)成为可能 [9] 。有的伺服系统生产厂商还将控 制伺服电机所需的外围电路(如 PWM 信号发生器、A/D 转换器、位置&速度检 测倍频计数器等)与数字信号处理器的内核集成一体,使得伺服系统的位置环、 速度环和电流环三环的数字化自动控制由单一的芯片实现,并将伺服系统的控制 回路采样时间缩小到了 100us 以内 [10] 。另外,随着电子电力技术的发展,绝缘栅 极双型晶体管(IGBT)和智能功率??椋↖PM)的出现,使得伺服系统的主电路 功率器件开关的频率提升到了 15~20kHz,从而提高了伺服系统的稳定性,降低了 系统的噪声 [11] 。以上两方面使得交流伺服系统的全数字化成为了现在交流伺服系 统发展的主流。 作为众多高新技术产业的基础,交流伺服系统与电力电子技术和微电子控制 技术相结合可以制造出许多新型的、性能优异的机电一体化设备、产品,代表了 21 世纪交流伺服系统的发展方向,交流伺服系统的最新发展趋势主要为: 1)高效率化 伺服电机本身的高效率化包括永磁材料性能的改进和更好的永磁材料安装结 构设计,还包括逆变器功率电路的优化、驱动系统的高效率化、加减速运动曲线 的优化以及更好的抗噪方式和冷却方式等 [12] 。 2)高性能化 由于交流伺服系统是一个非线性多变量的系统,难以建立精确的数学模型, 按照近似的数学模型得到的最优控制策略在实际系统上往往不能保证其真正的最 优,受系统非线性以及其他一些参数不可预见性变化的影响,有时甚至会引起系 统的控制品质严重下降,稳定性得不到保证。高性能的控制策略通过将现代控制 理论、人工智能、滑膜控制、模糊神经控制等成果应用于交流伺服系统当中,可 以弥补这些缺陷和不足 [13] 。 3)多功能化 最新数字化的交流伺服系统将具备越来越丰富的功能:首先,具有故障自诊 断、?;?、显示与分析功能。只要出现故障,系统就会将故障的类型以及可能导 致故障的原因通过用户界面显示出来。其次,具备参数自整定功能,伺服系统可 以通过自学习得到其各项参数。除此之外,伺服系统还应具有振动抑制功能,通 过采用振动控制技术,可提高系统的稳定性 [14] 。 4)一体化和集成化 伺服电机和反馈、驱动、控制、通信的纵向一体化成为目前小功率的交流伺服系统的一个重要发展方向。伺服电机、控制和驱动的集成使得三者从设计、制 造、运行以及维护都融为了一体。但是这种集成的方式将面临更大的技术挑战(如 工程师使用习惯的挑战),因此目前还很难成为主流 [15] 。 5)网络化 将工业以太网技术、现场总线技术甚至无线网络技术集成应用到伺服驱动器 中,已经成为美国和欧洲厂商的常用做法。各种总线标准竞争的焦点和现代工业 局域网发展的方向就是如何适应高性能运动控制对数据传输的同步性、可靠性以 及实时性的要求。随着国内对大规模分布式伺服控制设备需要的上升,高性能伺 服系统的开发成功,网络化数字伺服系统的开发已成为当务之急 [16] 。 6)小型化和大型化 永磁同步电机正在向更小的尺寸发展,比如 25mm、30mm 和 36mm 外径等; 于此同时厂商也在发展更大功率更大尺寸的电机,目前已经存在 500kW 功率的永 磁同步电机。体现了电机的两极化发展的倾向 [17] 。

 
     
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