摘要：伺服控制系統(tǒng)作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的重要控制系統(tǒng)之一，是當前工業(yè)自動化不可缺少的主要組成部分。本文在總結(jié)了當前伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和研究與應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上，對伺服控制系統(tǒng)的未來發(fā)展進行了展望。

1前言

    隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是微電子、電力半導體、計算機和電機制造技術(shù)等所取得技術(shù)進步，使得位置伺服在許多高科技領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，并扮演了重要的支柱技術(shù)角色的自動化控制系統(tǒng)，如機器人、激光加工、數(shù)控機床、大規(guī)模集成電路制造、辦公自動化設(shè)備、雷達和各種軍用武器隨動系統(tǒng)、以及柔性制造系統(tǒng)(fms-flexiblemanufacturingsystem)等。

伺服控制系統(tǒng)作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)之一，是工業(yè)自動化不可缺少的基礎(chǔ)技術(shù)。位置伺服控制系統(tǒng)，一般是以足夠的位置控制精度(定位精度)、位置跟蹤精度(位置跟蹤誤差)和足夠快的跟蹤速度作為它的主要控制目標。系統(tǒng)運行時要求能以一定的精度隨時跟蹤指令的變化，因而系統(tǒng)中伺服電動機的運行速度常常是不斷變化的。故伺服系統(tǒng)在跟蹤性能方面的要求一般要比普通調(diào)速系統(tǒng)高且嚴格得多。由于直流電動機存在電刷和換向器的限制，以及直流伺服系統(tǒng)生產(chǎn)、維護成本高。伴隨著新的控制器件和電機控制方法的出現(xiàn)，伺服系統(tǒng)的已經(jīng)廣泛地替代了直流伺服系統(tǒng)。

2伺服系統(tǒng)分類

伺服系統(tǒng)根據(jù)處理信號的方式不同，大致可以分為數(shù)字模擬混合式伺服、模擬式伺服和全數(shù)字式伺服；若根據(jù)所使用的伺服電動機的種類不同，又可分為三種：一種是用永磁同步伺服電動機構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，包括方波永磁同步電動機（無刷直流機）伺服系統(tǒng)和正弦波永磁同步電動機伺服系統(tǒng)；另一種是用鼠籠型異步電動機構(gòu)成的伺服系統(tǒng)。二者的不同之處在于永磁同步電動機伺服系統(tǒng)中需要采用磁極位置傳感器而感應(yīng)電動機伺服系統(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和鼠籠型異步伺服電動機使用同一套伺服放大器。

3伺服電機的優(yōu)勢

步進電機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，步進電機的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，伺服電機也越來越多地應(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)中大多采用步進電機或全數(shù)字式伺服電機作為執(zhí)行電動機。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。主要存在以下幾點區(qū)別。

1控制精度不同

伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式伺服電機為例，對于帶標準2500線編碼器的電機而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。

2矩頻特性不同

步進電機的輸出力矩隨轉(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。伺服電機為恒力矩輸出，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。

3低頻特性不同

步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細分技術(shù)等。

伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。

4運行性能不同

步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(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。伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

5速度響應(yīng)性能不同

步進電機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。伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA400W伺服電機為例，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。

4伺服系統(tǒng)與數(shù)字化控制的優(yōu)點

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實現(xiàn)的。這是因為基于微機實現(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)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。

(2)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。

(3)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)采用微處理機的數(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)機聯(lián)運，可隨時改變控制參數(shù)。

(5)硬件電路易標準化。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。

(6)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，或者當實際系統(tǒng)變化時徹底更新。

(7)隨著微機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)。

(8)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。

5伺服系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和展望

近10年來，永磁同步動機性能快速提高，與感應(yīng)電動機和普通同步電動機相比，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逐漸成為伺服系統(tǒng)執(zhí)行電動機的主流。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。

伺服電機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，引進一些先進的“復(fù)合型控制策略”以改進“控制器”性能是當前發(fā)展高性能伺服系統(tǒng)的一個主要“突破口”。

自20世紀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材料的性能，改進電機結(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?！败浶问健鄙洗嬖趶目刂撇呗缘慕嵌戎痔岣咚欧到y(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)對非線性負載類的調(diào)節(jié)和自適應(yīng)能力；基于智能控制的電機參數(shù)和模型識別，以及負載特性識別。

對于發(fā)展高性能伺服系統(tǒng)來說，由于在一定條件下，作為“硬形式”存在的伺服電機、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)。

6結(jié)論

21世紀將是各項科學技術(shù)飛速發(fā)展的世紀。隨著材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制科學和理論技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的快速發(fā)展以及電機制造工藝水平的逐步提高，同時伴隨著制造業(yè)的不斷提升和“柔性制造技術(shù)”的飛速發(fā)展，相信必將帶動“柔性加工和制造技術(shù)”的核心技術(shù)之一的“伺服驅(qū)動控制技術(shù)”走向一更好的發(fā)展方向。