伺服系统的发展及研究现状

1.伺服系统的发展

“伺服(servo)”这个词语源于希腊语,含有“奴隶”的意思。“伺服机构”是按照控制信号的要求而动作控制信号到来之前,被控对象是静止不动的接收到控制信号后,被控对象则按要求动作控制信号消失之后,被控对象又能自行停止。正是基于执行机构这一特点,我们称之为伺服系统。

伺服控制系统是一种自动控制系统，它可以使输出能够精确跟随某个目标过程，通常用来控制指定对象的转角或位移，可以使被控对象能够精确呈现出输入的控制指令的要求。

近代工业兴起以来，伺服控制系统主要经历了机械、液压、电气化伺服几个阶段，现代意义上的伺服控制系统通常是指电气伺服。电气伺服又走过几个不同的历史阶段：

第一阶段，电气伺服发明到 1960 年之前，电气伺服系统普遍采用功率步进电机作为动力源，一般不设计反馈回路，以开环控制为主；

第二阶段，1960到1970之间，直流电机开始广泛应用于电气伺服领域，这一阶段主要以直流有刷电机作为驱动源，多用旋转变压器、测速发电机、编码器等传感装置构成闭环控制系统；

第三阶段，80 年代以来，新技术及新材料的飞跃促使电气伺服进入交流伺服时代，执行电机通常以永磁同步电机为代表，并逐步占据了当今伺服领域主要市场。

2.伺服系统国内外研究现状

国外对于交流调速系统的研究比较早。在上世纪70年代年由德国西门子公司F.Blaschkc等提出了矢量控制，也可叫做磁场定向控制。基于磁场功率或者幅值等效原则，通过矢量变换将交流电机数学模型变为一台它励直流电动机。在动静三种参考坐标内，将定子三相交变电流变换为正交的两个分量。在向量空间内是正交关系，令d轴电流为0进行解耦控制，以获得与直流电机类似的良好动态调速性能。励磁电流和转矩电流解除耦合，然后分开加以控制，系统获得了良好的线性特性[14]-[16]。直接转矩控制由德国学者在上世纪八十年代首次提出。它是在矢量控制基础上进行了简化，逐渐被广泛应用的的高性能交流变频调速技术。区别于矢量控制，它没有采用旋转坐标系，在三相静止坐标系下直接实现磁链计算与输出转矩控制。基于简化后的控制方式，它省略了电流控制环节，直接推导出电子磁链空间矢量和转矩控制的关系，简化了控制变量关系，提高了转矩响应能力。它的本质依然是定子磁场定向技术，通过两点跳动控制方式，产生PWM波驱动信号。显然这种方式也有缺点，本质上是一种不连续的控制方式，实际应用中存在转矩波动，所以直接转矩控制还需要更多的理论实践研究[17]-[19]。

交流调速技术的普及极大地提高了系统的调速性，创造了具有节能、成本低、效率及精度高得现代伺服驱动产品，由于国外对于交流伺服技术的研究比较早，且技术领先，使得国外的伺服驱动产品占据了国内市场，如美国 GE 公司、力士乐 Indramat 公司、德国 Siemens 公司等，这些国家所生产的伺服产品与我国的伺服产品相比有着很大的优势。

近年来国内交流永磁同步电机伺服控制系统的研究非常活跃，天津大学、华中科技大学、沈阳工业大学等研究出由单片机构成的全数字交流永磁同步电机伺服控制系统，采用预测控制和空间矢量控制技术，改善了电流控制性能和系统响应精度。数字控制技术的应用，不仅使系统获得高精度、高可靠性，还为新型控制理论和方法的应用提供了基础。中国国内品牌主要有森创（和利时电机）、华中数控、广州数控、南京埃斯顿和兰州数控等。由广州数控生产的 DA98全数字式交流伺服驱动装置，由高原数控烟台公司生产的GY一2000系列数字化交流伺服驱动器在我国的高精度数控伺服驱动行业已经打开局面，打破了外国公司垄断的格局，开创了民族品牌新纪元。

但国内产品主要应用在中下档的产品，调速范围在 1：1000 以上，一般的在 1：5000～1：10000；而国外高性能伺服控制系统可以达到 1：100000 以上。国内定位精度一般都要达到±1个脉冲，稳速精度，尤其是低速下的稳速精度比如给定1rpm时，一般的在±0.1rpm 以内，国外高性能的可以达到±0.01rpm 以内。动态响应方面，通常衡量的指标是系统最高响应频率，即给定最高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90度或者幅值不小于50％。进口三菱伺服电机 MR－J3系列的响应频率高达 900Hz，而国内主流产品的频率在200～500Hz。运行稳定性方面，主要是指系统在电压波动、负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰、以及其他特殊运行条件下，维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力。这方面国内产品、包括部分台湾产品和世界先进水平相比差距较大。

3.伺服系统的发展趋势

由上述伺服控制系统的国内外的研究现状与发展历程可以看出一些交流伺

服系统的最新发展趋势：

（1）高精度、高可靠性。转矩及速度更平滑，响应更快，定位更精确。

（2）智能化。参数自整，故障自诊，自适应。

（3）无位置传感器控制。

（4）引入先进控制理论。

（5）开放化和网络化。

4.伺服系统相关技术

（1）永磁材料的发展

永磁材料主要有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类[20]。近年来经过不断的改进提高，钕铁硼永磁材料的最高工作温度已可达到 180 度，一般也可以到 150 度，已足以满足绝大多数电机的使用要求。在同步电机中使用永磁体的好处是简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积，同时消除了励磁损耗和发热。绝大多数中小功率的同步电动机已采用永磁式结构[21]。

（2）电力电子技术

导体技术的发展使伺服控制技术进入了全数字化时期，伺服控制器体积进一步减小。大规模集成电路（LSI）的精细加工技术以及开关特性的改善，使高速开关器件的应用成为主流。绝缘栅双极晶体管（IGBT）已经发展到了第 5 代产品[22]。

（3）微处理器技术

微处理器使伺服电机控制技术发生了巨大变革，使用微处理器简化了伺服电机控制硬件，实现了数字化控制，提高了伺服系统的抗干扰能力和可靠性。而且可以方便实现人工智能对系统运行状态进行诊断，为电机运动控制系统的发展提供了很大的开发平台。

（4）电机调速理论

随着电力电子技术、微处理器技术的发展以及电机控制技术的不断改进，恒定压频比控制理论不能满足人们的要求。目前交流电动机电磁转矩高性能控制策略主要有矢量控制和直接转矩控制[23]。

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