（南京工业大学运动控制研究所，江苏 南京 210009） 舒志兵，董 科，章 杰，卢宗春，汤世松
                         
    舒志兵 （1965-）男，南京工业大学自动化学院运动控制研究所所长，中国人工智能学会智能检测与运动控制专业委员会秘书长。长期从事测控技术、运动控制、传感器技术、电力电子技术及电气控制系统研究，主要研究方向为机器人、非线性多变量控制、变频调速、交直流传动、伺服运动控制、DSP技术、现场总线、数控系统及其机电一体化系统等。

    摘要：现代交流伺服系统对自动化、自动控制、电气技术、电力系统及自动化、机电一体化、电机电器与控制等专业既是一门基础技术，又是一门专业技术，因为它不仅分析各种基本的变换电路，而且结合生产实际，解决各种复杂定位控制问题，如机器人控制，数控机床等。本文研究的内容，就是现代交流伺服系统及其工业柔性制造系统的构成与应用，该项目研究目标是构成一个三维伺服控制系统，通过微机编程，可进行三个自由度的协调控制，实现高速（3000r/min）、高精度（16384P/R）、低震动等伺服特性，该技术代表21世纪最新调速及伺服传动控制，可应用于机器人控制、柔性制造业等领域， 具有节约能源，提高劳动生产率的重要意义，必将在21世纪的机械加工自动化领域开创一个崭新的时代。

    关键词：交流伺服；数控加工；伺服电机

    Abstract: Modern A.C. servo system is a basic as well as special technique for automatic control, electrical engineering, electric power system and automation, mechanical and electrical system, motor control and so on. As it not only analyzes various basic converter circuits, but also resolves various special location problems, such as robot control, numerically-controlled device problems. In this paper, the principles and methods of a modern A.C. servo system were presented and researched. The target is to build 3-dimension servo control system and realize free coordinate control by microcomputers.It has high performances of rapid control response and machining precision. It represents 21th century technique in motor speed control and servo system. It can be used in motor drive control, robot control and flexible manufacture.

    Key words: Servo; Numerically-controlled machine; Servo motor

    1 机电一体化及其机床电气控制技术的发展概况

    现代化生产的水平、产品的质量和经济效益等各项指标，在很大程度上取决于生产设备的先进性和电气自动化程度。机电一体化技术是随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求而迅速发展的。在控制方法上主要是从手动到自动；在控制功能上，是从简单到复杂；在操作上，是由笨重到轻巧。随着新的控制理论和新型电器及电子器件的出现，又为电气控制技术的发展开拓了新的途径。

    传统的机床电气控制是继电器接触式控制系统，由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，实现对机床的启动、停车、有极调速等控制。继电器接触式控制系统的优点是结构简单、维护方便、抗干扰强、价格低，因此广泛应用于各类机床和机械设备。目前，在我国继电器接触式控制仍然是机床和其他机械设备最基本的电气控制形式之一。

    在实际生产中，由于大量存在一些用开关量控制的简单的程序控制过程，而实际生产工艺和流程又是经常变化的，因而传统的继电器接触式控制系统常不能满足这种要求，因此曾出现了继电器接触控制和电子技术相结合的控制装置，叫做顺序控制器。

    它能够根据生产的需要改变控制程序，而又远比电子计算机结构简单，价格低廉，它是通过组合逻辑元件插接或编程来实现继电器接触控制的。但它的装置体积大，功能也受到一定限制。随着大规模集成电路和微处理机技术的发展及应用，上述控制技术也发生了根本性的变化，在上世纪70年代出现了将计算机的存储技术引入顺序控制器，产生了新型工业控制器——可编程序控制器（PLC），它兼备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点，故目前在世界各国已作为一种标准化通用装置普遍应用于工业控制。

    为解决占机械总加工量80％左右的单件和小批量生产的自动化的难题，上世纪50年代出现了数控机床。它综合应用了电子技术、计算机技术、检测技术、自动控制和机床结构设计等各个技术领域的最新技术成就，它是典型的机电一体化产品。

    数控机床经过60年来的发展，品种日益增多，性能不断完善，其中以轮廓控制的数控机床和带有自动换刀装置和工作台能自动转位的数控加工中心发展更为迅速。数控机床由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等部分组成，其中伺服系统的性能是决定数控机床加工精度和生产率的主要因素之一。在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准，部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点。90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，高速电主轴单元转数在30000r pm～100000rpm，工作台的进给速度在分辨率为1μm时达到100m/min，甚至200m/min以上, 在分辨率为0.1μs时，在24m/min以上。当今数控机床突出高速、高精、高动态、高刚性的特点，对位置系统的要求包括：定位速度和轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态、动态特性。我们已经看到国产伺服系统比如广数的产品在经济型数控机床上的广泛应用，但是在中高档数控机床上采用国产伺服系统仍然面临困难，性能是一个重要方面，还有就是稳定性和可靠性，或许品牌效应也是难以短时间逾越的障碍。

    2 伺服系统在数控加工中的作用及组成

    伺服来自英文单词Se r v o，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。我们通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在90年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。进入21世纪，交流伺服系统越来越成熟，市场呈现快速多元化发展，国内外众多品牌进入市场竞争。目前交流伺服技术已成为工业自动化的支撑性技术之一。

    在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。

    伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件（或称执行元件伺服电机）组成，高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。

    数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。以上指的主要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如前者高。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。

    在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机（PMSM）和感应异步交流伺服电机（IM），其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。

    而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。

    交流伺服系统的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。低档的伺服系统调速范围在1：1000以上，一般的在1：5000～1：10000，高性能的可以达到1：100000以上；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，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。这方面国产产品、包括部分台湾产品和世界先进水平相比差距较大。

    在控制策略上，基于电机稳态数学模型的电压频率控制方法和开环磁通轨迹控制方法都难以达到良好的伺服特性，目前普遍应用的是基于永磁电机动态解耦数学模型的矢量控制方法，这是现代伺服系统的核心控制方法。虽然人们为了进一步提高控制特性和稳定性，提出了反馈线性化控制、滑模变结构控制、自适应控制等理论，还有不依赖数学模型的模糊控制和神经元网络控制方法，但是大多在矢量控制的基础上附加应用这些控制方法。还有，高性能伺服控制必须依赖高精度的转子位置反馈，人们一直希望取消这个环节，发展了无位置传感器技术（Sensorless Control）。至今，在商品化的产品中，采用无位置传感器技术只能达到大约1：100的调速比，可以用在一些低档的对位置和速度精度要求不高的伺服控制场合中，比如单纯追求快速起停和制动的缝纫机伺服控制，这个技术的高性能化还有很长的路要走。

    3 伺服系统的基本要求和特点

    （1） 对伺服系统的基本要求

    稳定性好：稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有的平衡状态。

    精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般都在 0.01～0.00lmm之间。

    快速响应性好：快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，为了满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。

    （2） 伺服系统的主要特点

    精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制。

    有多种反馈比较原理与方法：根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。目前常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较三种。

    高性能的伺服电动机（简称伺服电机）：用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节。
   
    宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统：从系统的控制结构看，数控机床的位置闭环系统可以看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。

    4 伺服系统的分类

    伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机（简称直流电机）伺服系统、交流电动机（简称交流电机）伺服系统。按控制方式划分，有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等，实际上数控系统也分成开环、闭环和半闭环三种类型，就是与伺服系统这三种方式相关。

    （1） 开环系统

    图1是开环系统构成图，它主要由驱动电路，执行元件和机床三大部分组成。常用的执行元件是步进电机，通常称以步进电机作为执行元件的开环系统为步进式伺服系统，在这种系统中，如果是大功率驱动时，用步进马达作为执行元件。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。
                   
                                       图1  开环系统构成图
    （2） 闭环系统

    闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床五部分组成。其构成框图如图2所示。在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统；把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。
                      
                                          图2  闭环系统构成图
    比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环（半闭环）系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统三种。

    由于比较环节输出的信号比较微弱，不足以驱动执行元件，故需对其进行放大，驱动电路正是为此而设置的。

    执行元件的作用是根据控制信号，即来自比较环节的跟随误差信号，将表示位移量的电信号转化为机械位移。常用的执行元件有直流宽调速电动机、交流电动机等。执行元件是伺服系统中必不可少的一部分，驱动电路是随执行元件的不同而不同的。如图3所示。
                  
                                     图4  交流伺服系统的构成
    5 伺服系统的发展方向

    从最近几年在德国纽伦堡举办的SPS/IPC/Drives展览上可以看到世界范围内电气伺服驱动系统、运动控制和相关软件的最新情况，其中交流伺服产品的亮点很多，代表了当前的国际水平。

    这里仅仅摘录几条，相对应的，国内厂商的研发动向也对比进行说明。

    贝加莱（B&R）工业自动化公司推出的AcoposMulti驱动系统采用模块化的可扩展结构，每个轴模块可以提供1到2个伺服轴控制，并集成了一个24VDC的辅助电源模块，为驱动器、控制器和外围设备提供了一个到直流总线的链接，来获得开路、短路和过载保护。其他特性包括通过空气，油或水进行冷却的模块化设计，通过一个能量再生系统确保环境的安全性。在国内，我们还没有看到有厂商进行类似的模块式设计，并在产品中融入机器安全概念。

    艾尔默（Elmo）公司展出了一系列伺服驱动器与控制器，包括最新的微型数字伺服驱动器Whistle。这些火柴盒大小的驱动器尺寸虽仅为：5×4.6×1.5cm，但却能提供0.5 kW的连续功率（或1kW的峰值功率）。为当今市场上最高功率密度与智能的伺服驱动器，集成了高性能32位RISC芯片，提供RS232、485，powerlink等带CAN通讯的驱动模块，拥有现场总线通讯控制功能和32位运动指令，包括高级的圆弧插补指令，采用17位绝对值编码器。

    艾默生控制技术（Emerson Control Techniques）公司最近展出了Unidrive及其他交、直流驱动器产品。Unidrive 驱动器覆盖功率范围从0.55~675kW，变换不同的控制软件可以驱动异步电机、永磁同步伺服电机和无刷直流电机。额定输出功率为0.25~11kW 的Varmeca型集成可变速度电机与可变速度驱动器（VSD），具有闭环矢量与分布式（Proxdrive）两个版本。值得注意的是适合在爆燃性气体中工作的VSD系统（ATEX），而额定输出功率为 0.55~400kW的FLSD驱动器，则据称能在IIB类或IIC区1类2分类气体中工作。相对应的，国内伺服驱动器厂商的产品功率范围多在10kW以下，而且没有特殊防护等级的商品化产品面世，这方面国内外的差距很大，也是未来国内伺服厂商差异化竞争的方向。

    Rockwell Automation公司展出了PowerFlex驱动技术。

    PowerFlex的发展路线图显示，将于06~07年出现的“公共工业协议（CIP）运动应用协议”，有望无缝同步在同一系统中运行的多轴伺服与变频驱动器中。

    施耐德电气（Schneider Electric）最近推出的Lexium 05型伺服控制器具有和VFD变频器一样外形，目标是低成本应用。

    实际上，利用变频器的批量生产能力推出低端伺服，已经成为一些厂商的竞争手段。该公司旗下的Berger Lahr品牌在其展台上随处可见。其智能、集成电机与控制器产品 (Icla) 主要有以下三个电机版本：步进电机、交流伺服电机与三相无刷直流电机。Icla（来源于“集成、闭环、执行器”的首字母缩写）将电机、位置控制、功率电子与反馈集成在一个紧凑单元中。这种一体化设计的思路在美国的Animatics等公司身上也体现得很明显，来自德国的AMK公司也有类似的产品。这是真正的机电一体化产品，为设计者带来了一系列的工程挑战，包括电磁兼容、热控制、元器件小型化、特殊的结构设计等。在国内，没有见到有厂商推出自主知识产权的产品。

    包米勒（Baumul l e r）公司提供的带集成行星齿轮传动系的高性能伺服电机，拥有高达98％的效率和很低的噪音；直接驱动型高力矩伺服电机，可以在100～300rpm范围内输出13500Nm。在国内，我们看到和利时电机公司在其海豚系列低压无刷伺服电机系列中提供了类似的带集成行星齿轮减速器的产品，深圳步进也宣称可以提供带减速器的步进化伺服电机。在直接驱动力矩电机市场，成都精密电机厂可以提供定制化的电机组件，但是需要客户另外加装反馈装置和第三方驱动器。

    安川电机欧洲公司（Yaskawa Electric Europe，YEE）展出了其广受欢迎的通用Sigma II型伺服电机。YEE的其他进展包括正在开发中的额定功率0.5~5KW防爆及遵循ATEX标准的交流伺服电机。安川公司的另一项开发成果是输出功率高达500KW的高功率伺服电机。该项目的商品化预计将于近期完成。从中我们可以看到国际大厂向专用化、大型化伺服发展的动向。

    在适合运动控制的工业协议方面，我们还看到Beckhoff的EtherCAT，B&R的PowerLink，Danaher下面的MEI开发的SynqNet，Siemens的ProfiNet，还有久负盛名的Sercos已经发展到SercosIII。这些通讯协议都为多轴实时同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驱动器集成进去。在国内，甚至CAN这样的中低端总线也没有变成伺服驱动器的标准配置，采用高性能实时现场总线的商品化驱动器还没有出现。这一方面是因为我们的伺服基本性能还没有达到相应的水准，另一方面也是因为市场还没有发育到这个程度。可喜的是，我们已经看到一些单位进行了有益的研发实践，一方面消化国外的先进技术，一方面尝试推出自己的总线标准。

    总之，随着生产力的不断发展，要求伺服系统向高精度、高速度、大功率方向发展。

    充分利用迅速发展的电子和计算机技术，采用数字式伺服系统，利用微机实现调节控制，增强软件控制功能，排除模拟电路的非线性误差和调整误差以及温度漂移等因素的影响，这可大大提高伺服系统的性能，并为实现最优控制、自适应控制创造条件。

    开发高精度、快速检测元件。

    开发高性能的伺服电机（执行元件）。目前交流伺服电机的变速比已达1：10000，使用日益增多。无刷电机因无电刷和换向片零部件，加速性能要比直流伺服电机高两倍，维护也较方便，常用于高速数控机床。

    参考文献：

    [1] T. K. Kiong, L. T. Heng, D. Huifang, et al. Precision Motion Control Design and Implementation. Berlin Heidelberg: Springer,2001.

    [2] Z. Z. Liu, F. L. Luo, M. A. Rahman, Robust and Precision Motion Control System of Linear-Motor Direct Drive for High-Speed X–Y Table Positioning Mechanism, IEEE Trans. Industrial Electronics, 52(5): 1357-1363, 2005.

    [3] K. Ohnishi, A New Servo Method in Mechatronics. Trans. Jpn. Soc. Elect.Eng., 1: 83-86, 1987.

    [4] H. S. Lee, Robust Motion Controller Design for High-Accuracy Positioning Systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 43: 48-55, 1996.

    [5] C. J. Kempf, S. Kobayashi, Disturbance Observer and Feedforward Design for a High-Speed Direct-Drive Positioning Table. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 7: 513-526, 1999.

    [6] M. T. White, et al, Improved Track Following in Magnetic Disk Drives Using a Disturbance Observer. IEEE Transactions on Mechatronics, 5: 3-11,2000.

    [7] C. S. Liu, H. Peng, Disturbance Observer Based Tracking Control. ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 122: 332-335, 2000.

    [8] S. Komada, et al, Control of Redundant Manipulators Considering Order of Disturbance Observer. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 47(2): 413-420, 1999.

    [9] A. Tesfaye, et al, A Sensitivity Optimization Approach to Design of a Disturbance Observer in Digital Motion Control Systems. IEEE Transactions on Mechatronics, 2000, 5(1): 32-38.

    [10] S. M. Shahruz, Performance Enhancement of a Class of Nonlinear Systems by Disturbance Observers. IEEE Transactions on Mechatronics, 2000, 5(3): 319-323.

    [11] 国家自然科学基金委员会工程与材料科学部,机械工程科学技术前沿[M]. 北京:机械工业出版社，1996

    [12] 任仲贵. 现代制造工程[M]. 上海: 中国纺织大学出版社，1999

    [13] 唐荣锡. 柔性制造系统[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社，1994

    [14] 舒志兵. 交流伺服运动控制系统[M]. 北京:清华大学出版社，2006

    [15] 舒志兵. 现场总线运动控制系统[M]. 北京:电子工业出版社,2007 .

    [16] 舒志兵. 机电一体化系统与应用[M]. 北京:电子工业出版社,2007.

    [17] 舒志兵. 数控加工技术[M].北京:电子工业出版社,2007.

    [18] B. Yao, et al, High-Performance Robust Motion Control of Machine Tools:An Adaptive Robust Control Approach and Comparative Experiments. IEEE Transactions on Mechatronics, 2: 63-76, 1997.

    [19] L. Xu, B. Yao, Output Feedback Adaptive Robust Precision Motion Control of Linear Motors. Automatica, 37: 1029-1039, 2001.

    [20] B.-K. Choi, C.-H. Choi, H. Lim, Model-based disturbance attenuation for CNC machining centers in cutting process, IEEE/ASME Trans. Mechatron., 4:157–168, 1999.

     摘自《自动化博览》2010年第十一期