交流伺服系统的发展和展望
- 2011/12/9 9:17:40 4300
- 来源：仪表网
摘要：
1.0概述
目前，基于稀土永磁体的交流永磁伺服驱动系统，能提供高水平的动态响应和扭矩密度。所以拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取替传统的液压、直流和步进调速驱动，以便使系统性能达到一个全新的水平，包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。因此，交流伺服这样一种扮演重要支柱技术角色的自动控制系统，在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、雷达和各种军用武器随动系统、以及柔性制造系统（FMS－FlexibleManufacturingSystem）等。
2.0步进电机和交流伺服电机性能比较
步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。
虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。
2.1控制精度不同
两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。
2.2低频特性不同
步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。
交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。
2.3矩频特性不同
步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
2.4过载能力不同
步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。
2.5运行性能不同
步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。
2.6速度响应性能不同
步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。
综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。
3.0交流伺服系统的分类
交流伺服系统根据其处理信号的方式不同，可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和全数字式伺服；如果按照使用的伺服电动机的种类不同，又可分为两种：一种是用永磁同步伺服电动机构成的伺服系统，包括方波永磁同步电动机（无刷直流机）伺服系统和正弦波永磁同步电动机伺服系统；另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。二者的不同之处在于永磁同步电动机伺服系统中需要采用磁极位置传感器而感应电动机伺服系统中含有滑差频率计算部分。若采用微处理器软件实现伺服控制，可以使永磁同步伺服电动机和鼠笼型异步伺服电动机使用同一套伺服放大器。
4.0交流伺服系统的发展与数字化控制的优点
伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动机至今已有五十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段：
个发展阶段（20世纪60年代以前），此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环系统。
第二个发展阶段（20世纪60－70年代），这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。
第三个发展阶段（20世纪80年代至今），这一阶段是以机电一体化时代作为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机（方波驱动），交流伺服电动机（正弦波驱动）等种种新型电动机。
进入20世纪80年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对伺服系统产生了很重要的影响，交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服，智能化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。
伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。
目前，伺服系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微机实现的。这是因为基于微机实现的数字伺服控制器与模拟伺服控制器相比，具有下列优点：
（1）能明显地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现，硬件费用会变得很便宜。体积小、重量轻、耗能少是它们的共同优点。
（2）可显著改善控制的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时（MTBF）大大长于分立元件电子电路。
（3）数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。
（4）硬件电路易标准化。在电路集成过程中采用了一些屏蔽措施，可以避免电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，因此可靠性比较高。
（5）采用微处理机的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位系统机联运，可随时改变控制参数。
（6）可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法；以满足不同的用途。软件模块可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。
（7）提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力,使伺服系统更趋于智能化。
（8）随着微机芯片运算速度和存贮器容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。
5.0高性能交流伺服系统的发展现状和展望
近10年来，永磁同步动机性能快速提高，与感应电动机和普通同步电动机相比，其控制简单、良好的低速运行性能及较高的性价比等优点使得永磁无刷同步电动机逐渐成为交流伺服系统执行电动机的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服领域。而交流异步伺服系统仍主要集中在性能要求不高的、大功率伺服领域。
自20世纪80年代后期以来，随着现代工业的快速发展，对作为工业设备的重要驱动源之一的伺服系统提出了越来越高的要求，研究和发展高性能交流伺服系统成为国内外同仁的共识。有些努力已经取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作电机材料的性能，改进电机结构，提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向和努力。“软形式”上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。如采用“卡尔曼滤波法”估计转子转速和位置的“无速度传感器化”；采用高性能的永磁材料和加工技术改进PMSM转子结构和性能，以通过消除/削弱因齿槽转矩所造成的PMSM转矩脉动对系统性能的影响；采用基于现代控制理论为基础的具有将强鲁棒性的滑模控制策略以提高系统对参数摄动的自适应能力；在传统PID控制基础上进入非线性和自适应设计方法以提高系统对非线性负载类的调节和自适应能力；基于智能控制的电机参数和模型识别，以及负载特性识别。
对于发展高性能交流伺服系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形式”存在的伺服电机、逆变器以相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因数的制约；而以“软形式”存在的控制策略具有较大的柔性，近年来随着控制理论新的发展，尤其智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术的迅猛发展，使得基于智能控制的先进控制策略和基于传统控制理论的传统控制策略的“集成”得以实现，并为其实际应用奠定了物质基础。
伺服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性及时变性的“系统”，同时伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时受到不同程度的干扰，因此按常规控制策略很难满足高性能伺服系统的控制要求。为此，如何结合控制理论新的发展，引进一些先进的“复合型控制策略”以改进“控制器”性能是当前发展高性能交流伺服系统的一个主要“突破口”。
6.0结束语
21世纪是一个崭新的世纪，也定将是各项科学技术飞速发展的世纪。相信随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，同时伴随着制造业的不断升级和“柔性制造技术”的快速发展，必将为“柔性加工和制造技术”的核心技术之一的“伺服驱动技术”迎来又一大好的发展时机。
目前，基于稀土永磁体的交流永磁伺服驱动系统，能提供高水平的动态响应和扭矩密度。所以拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取替传统的液压、直流和步进调速驱动，以便使系统性能达到一个全新的水平，包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。因此，交流伺服这样一种扮演重要支柱技术角色的自动控制系统，在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、雷达和各种军用武器随动系统、以及柔性制造系统（FMS－FlexibleManufacturingSystem）等。
2.0步进电机和交流伺服电机性能比较
步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。
虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。
2.1控制精度不同
两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。
2.2低频特性不同
步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。
交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。
2.3矩频特性不同
步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
2.4过载能力不同
步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。
2.5运行性能不同
步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。
2.6速度响应性能不同
步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。
综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。
3.0交流伺服系统的分类
交流伺服系统根据其处理信号的方式不同，可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和全数字式伺服；如果按照使用的伺服电动机的种类不同，又可分为两种：一种是用永磁同步伺服电动机构成的伺服系统，包括方波永磁同步电动机（无刷直流机）伺服系统和正弦波永磁同步电动机伺服系统；另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。二者的不同之处在于永磁同步电动机伺服系统中需要采用磁极位置传感器而感应电动机伺服系统中含有滑差频率计算部分。若采用微处理器软件实现伺服控制，可以使永磁同步伺服电动机和鼠笼型异步伺服电动机使用同一套伺服放大器。
4.0交流伺服系统的发展与数字化控制的优点
伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动机至今已有五十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段：
个发展阶段（20世纪60年代以前），此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环系统。
第二个发展阶段（20世纪60－70年代），这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。
第三个发展阶段（20世纪80年代至今），这一阶段是以机电一体化时代作为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机（方波驱动），交流伺服电动机（正弦波驱动）等种种新型电动机。
进入20世纪80年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对伺服系统产生了很重要的影响，交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服，智能化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。
伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。
目前，伺服系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微机实现的。这是因为基于微机实现的数字伺服控制器与模拟伺服控制器相比，具有下列优点：
（1）能明显地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现，硬件费用会变得很便宜。体积小、重量轻、耗能少是它们的共同优点。
（2）可显著改善控制的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时（MTBF）大大长于分立元件电子电路。
（3）数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。
（4）硬件电路易标准化。在电路集成过程中采用了一些屏蔽措施，可以避免电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，因此可靠性比较高。
（5）采用微处理机的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位系统机联运，可随时改变控制参数。
（6）可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法；以满足不同的用途。软件模块可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。
（7）提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力,使伺服系统更趋于智能化。
（8）随着微机芯片运算速度和存贮器容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。
5.0高性能交流伺服系统的发展现状和展望
近10年来，永磁同步动机性能快速提高，与感应电动机和普通同步电动机相比，其控制简单、良好的低速运行性能及较高的性价比等优点使得永磁无刷同步电动机逐渐成为交流伺服系统执行电动机的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服领域。而交流异步伺服系统仍主要集中在性能要求不高的、大功率伺服领域。
自20世纪80年代后期以来，随着现代工业的快速发展，对作为工业设备的重要驱动源之一的伺服系统提出了越来越高的要求，研究和发展高性能交流伺服系统成为国内外同仁的共识。有些努力已经取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作电机材料的性能，改进电机结构，提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向和努力。“软形式”上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。如采用“卡尔曼滤波法”估计转子转速和位置的“无速度传感器化”；采用高性能的永磁材料和加工技术改进PMSM转子结构和性能，以通过消除/削弱因齿槽转矩所造成的PMSM转矩脉动对系统性能的影响；采用基于现代控制理论为基础的具有将强鲁棒性的滑模控制策略以提高系统对参数摄动的自适应能力；在传统PID控制基础上进入非线性和自适应设计方法以提高系统对非线性负载类的调节和自适应能力；基于智能控制的电机参数和模型识别，以及负载特性识别。
对于发展高性能交流伺服系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形式”存在的伺服电机、逆变器以相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因数的制约；而以“软形式”存在的控制策略具有较大的柔性，近年来随着控制理论新的发展，尤其智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术的迅猛发展，使得基于智能控制的先进控制策略和基于传统控制理论的传统控制策略的“集成”得以实现，并为其实际应用奠定了物质基础。
伺服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性及时变性的“系统”，同时伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时受到不同程度的干扰，因此按常规控制策略很难满足高性能伺服系统的控制要求。为此，如何结合控制理论新的发展，引进一些先进的“复合型控制策略”以改进“控制器”性能是当前发展高性能交流伺服系统的一个主要“突破口”。
6.0结束语
21世纪是一个崭新的世纪，也定将是各项科学技术飞速发展的世纪。相信随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，同时伴随着制造业的不断升级和“柔性制造技术”的快速发展，必将为“柔性加工和制造技术”的核心技术之一的“伺服驱动技术”迎来又一大好的发展时机。
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