交jiao流liu伺si服fu係xi統tong作zuo為wei現xian代dai工gong業ye生sheng產chan設she備bei的de重zhong要yao驅qu動dong源yuan之zhi一yi
，是shi工gong業ye自zi動dong化hua不bu可ke缺que少shao的de基ji礎chu技ji術shu。本ben文wen在zai總zong結jie當dang前qian交jiao流liu伺si服fu係xi統tong的de發fa展zhan趨qu勢shi和he研yan究jiu與yu應ying用yong成cheng果guo的de基ji礎chu上shang
，對dui交jiao流liu伺si服fu係xi統tong的de未wei來lai發fa展zhan做zuo出chu了le展zhan望wang。

   1.0 概述

   目(mu)前(qian)，基(ji)於(yu)稀(xi)土(tu)永(yong)磁(ci)體(ti)的(de)交(jiao)流(liu)永(yong)磁(ci)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)係(xi)統(tong)

，能(neng)提(ti)供(gong)最(zui)高(gao)水(shui)平(ping)的(de)動(dong)態(tai)響(xiang)應(ying)和(he)扭(niu)矩(ju)密(mi)度(du)。所(suo)以(yi)拖(tuo)動(dong)係(xi)統(tong)的(de)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)是(shi)用(yong)交(jiao)流(liu)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)取(qu)替(ti)傳(chuan)統(tong)的(de)液(ye)壓(ya)

、直流和步進調速驅動
，以便使係統性能達到一個全新的水平，包括更短的周期
、更高的生產率、更geng好hao的de可ke靠kao性xing和he更geng長chang的de壽shou命ming。因yin此ci，交jiao流liu伺si服fu這zhe樣yang一yi種zhong扮ban演yan重zhong要yao支zhi柱zhu技ji術shu角jiao色se的de自zi動dong控kong製zhi係xi統tong，在zai許xu多duo高gao科ke技ji領ling域yu得de到dao了le非fei常chang廣guang泛fan的de應ying用yong，如ru激ji光guang加jia工gong、機器人、數控機床、大規模集成電路製造、辦公自動化設備
、雷達和各種軍用武器隨動係統、以及柔性製造係統（FMS－Flexible Manufacturing System）等。

   2.0 步進電機和交流伺服電機性能比較 　

   步bu進jin電dian機ji是shi一yi種zhong離li散san運yun動dong的de裝zhuang置zhi
，它ta和he現xian代dai數shu字zi控kong製zhi技ji術shu有you著zhe本ben質zhi的de聯lian係xi。在zai目mu前qian國guo內nei的de數shu字zi控kong製zhi係xi統tong中zhong，步bu進jin電dian機ji的de應ying用yong十shi分fen廣guang泛fan。隨sui著zhe全quan數shu字zi式shi交jiao流liu伺si服fu係xi統tong的de出chu現xian，交jiao流liu伺si服fu電dian機ji也ye越yue來lai越yue多duo地di應ying用yong於yu數shu字zi控kong製zhi係xi統tong中zhong。為wei了le適shi應ying數shu字zi控kong製zhi的de發fa展zhan趨qu勢shi
，運yun動dong控kong製zhi係xi統tong中zhong大da多duo采cai用yong步bu進jin電dian機ji或huo全quan數shu字zi式shi交jiao流liu伺si服fu電dian機ji作zuo為wei執zhi行xing電dian動dong機ji。

   雖然兩者在控製方式上相似（脈衝串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。現就二者的使用性能作一比較。

   2.1控製精度不同

   兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、1.8°
，五相混合式步進電機步距角一般為0.72°
、0.36°。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產的一種用於慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09°
；德國百格拉公司（BERGER LAHR）生產的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°
、0.18°
、0.09°

、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。

   交流伺服電機的控製精度由電機軸後端的旋轉編碼器保證。以鬆下全數字式交流伺服電機為例，對於帶標準2500線編碼器的電機而言，由於驅動器內部采用了四倍頻技術
，其脈衝當量為360°/10000=0.036°。對於帶17位編碼器的電機而言
，驅動器每接收217=131072個脈衝電機轉一圈
，即其脈衝當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈衝當量的1/655。

   2.2低頻特性不同

   步bu進jin電dian機ji在zai低di速su時shi易yi出chu現xian低di頻pin振zhen動dong現xian象xiang。振zhen動dong頻pin率lv與yu負fu載zai情qing況kuang和he驅qu動dong器qi性xing能neng有you關guan
，一yi般ban認ren為wei振zhen動dong頻pin率lv為wei電dian機ji空kong載zai起qi跳tiao頻pin率lv的de一yi半ban。這zhe種zhong由you步bu進jin電dian機ji的de工gong作zuo原yuan理li所suo決jue定ding的de低di頻pin振zhen動dong現xian象xiang對dui於yu機ji器qi的de正zheng常chang運yun轉zhuan非fei常chang不bu利li。當dang步bu進jin電dian機ji工gong作zuo在zai低di速su時shi，一yi般ban應ying采cai用yong阻zu尼ni技ji術shu來lai克ke服fu低di頻pin振zhen動dong現xian象xiang，比bi如ru在zai電dian機ji上shang加jia阻zu尼ni器qi，或huo驅qu動dong器qi上shang采cai用yong細xi分fen技ji術shu等deng。

   jiaoliusifudianjiyunzhuanfeichangpingwen
，jishizaidisushiyebuhuichuxianzhendongxianxiang。jiaoliusifuxitongjuyougongzhenyizhigongneng
，kehangaijixiedegangxingbuzu
，bingqiexitongneibujuyoupinlvjiexijineng（FFT）
，可檢測出機械的共振點，便於係統調整。

   2.3矩頻特性不同

   步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降

，且在較高轉速時會急劇下降
，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩
，在額定轉速以上為恒功率輸出。

   2.4過載能力不同

   bujindianjiyibanbujuyouguozainengli。jiaoliusifudianjijuyoujiaoqiangdeguozainengli。yisongxiajiaoliusifuxitongweili，tajuyousuduguozaihezhuanjuguozainengli。qizuidazhuanjuweiedingzhuanjudesanbei，keyongyukefuguanxingfuzaizaiqidongshunjiandeguanxingliju。bujindianjiyinweimeiyouzhezhongguozainengli，zaixuanxingshiweilekefuzhezhongguanxingliju，wangwangxuyaoxuanqujiaodazhuanjudedianji，erjiqizaizhengchanggongzuoqijianyoubuxuyaonamedadezhuanju，bianchuxianlelijulangfeidexianxiang。

   2.5運行性能不同

   步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)控(kong)製(zhi)為(wei)開(kai)環(huan)控(kong)製(zhi)，啟(qi)動(dong)頻(pin)率(lv)過(guo)高(gao)或(huo)負(fu)載(zai)過(guo)大(da)易(yi)出(chu)現(xian)丟(diu)步(bu)或(huo)堵(du)轉(zhuan)的(de)現(xian)象(xiang)
，停(ting)止(zhi)時(shi)轉(zhuan)速(su)過(guo)高(gao)易(yi)出(chu)現(xian)過(guo)衝(chong)的(de)現(xian)象(xiang)，所(suo)以(yi)為(wei)保(bao)證(zheng)其(qi)控(kong)製(zhi)精(jing)度(du)，應(ying)處(chu)理(li)好(hao)升(sheng)、降(jiang)速(su)問(wen)題(ti)。交(jiao)流(liu)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)係(xi)統(tong)為(wei)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)，驅(qu)動(dong)器(qi)可(ke)直(zhi)接(jie)對(dui)電(dian)機(ji)編(bian)碼(ma)器(qi)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)采(cai)樣(yang)，內(nei)部(bu)構(gou)成(cheng)位(wei)置(zhi)環(huan)和(he)速(su)度(du)環(huan)，一(yi)般(ban)不(bu)會(hui)出(chu)現(xian)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)丟(diu)步(bu)或(huo)過(guo)衝(chong)的(de)現(xian)象(xiang)，控(kong)製(zhi)性(xing)能(neng)更(geng)為(wei)可(ke)靠(kao)。

   2.6速度響應性能不同

   步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鍾幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服係統的加速性能較好，以鬆下MSMA 400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用於要求快速啟停的控製場合。

   綜上所述，交流伺服係統在許多性能方麵都優於步進電機。

   3.0 交流伺服係統的分類

   交流伺服係統根據其處理信號的方式不同，可以分為模擬式伺服、數字模擬混合式伺服和全數字式伺服；如果按照使用的伺服電動機的種類不同，又可分為兩種：一種是用永磁同步伺服電動機構成的伺服係統，包括方波永磁同步電動機（無刷直流機）伺服係統和正弦波永磁同步電動機伺服係統
；另ling一yi種zhong是shi用yong鼠shu籠long型xing異yi步bu電dian動dong機ji構gou成cheng的de伺si服fu係xi統tong。二er者zhe的de不bu同tong之zhi處chu在zai於yu永yong磁ci同tong步bu電dian動dong機ji伺si服fu係xi統tong中zhong需xu要yao采cai用yong磁ci極ji位wei置zhi傳chuan感gan器qi而er感gan應ying電dian動dong機ji伺si服fu係xi統tong中zhong含han有you滑hua差cha頻pin率lv計ji算suan部bu分fen。若ruo采cai用yong微wei處chu理li器qi軟ruan件jian實shi現xian伺si服fu控kong製zhi，可ke以yi使shi永yong磁ci同tong步bu伺si服fu電dian動dong機ji和he鼠shu籠long型xing異yi步bu伺si服fu電dian動dong機ji使shi用yong同tong一yi套tao伺si服fu放fang大da器qi。

   4.0 交流伺服係統的發展與數字化控製的優點

   伺服係統的發展緊密地與伺服電動機的不同發展階段相聯係，伺服電動機至今已有五十多年的發展曆史，經曆了三個主要發展階段：

   第一個發展階段（20世紀60年代以前），此階段是以步進電動機驅動的液壓伺服馬達或以功率步進電動機直接驅動為中心的時代
，伺服係統的位置控製為開環係統。

   第二個發展階段（20世紀60－70年代）
，zheyijieduanshizhiliusifudiandongjidedanshenghequanshengfazhandeshidai
，youyuzhiliudiandongjijuyouyouliangdetiaosuxingneng，henduogaoxingnengqudongzhuangzhicaiyonglezhiliudiandongji
，sifuxitongdeweizhikongzhiyeyoukaihuanxitongfazhanchengweibihuanxitong。zaishukongjichuangdeyingyonglingyu，yongcishizhiliudiandongjizhantongzhidiwei，qikongzhidianlujiandan，wulicisunhao，disuxingnenghao。

   第三個發展階段（20世紀80年代至今）
，這一階段是以機電一體化時代作為背景的，由於伺服電動機結構及其永磁材料
、控製技術的突破性進展，出現了無刷直流伺服電動機（方波驅動），交流伺服電動機（正弦波驅動）等種種新型電動機。

   進入20世紀80niandaihou，yinweiweidianzijishudekuaisufazhan
，dianludejichengduyuelaiyuegao，duisifuxitongchanshenglehenzhongyaodeyingxiang
，jiaoliusifuxitongdekongzhifangshixunsuxiangweijikongzhifangxiangfazhan，bingyouyingjiansifuzhuanxiangruanjiansifu
，zhinenghuaderuanjiansifujiangchengweisifukongzhideyigefazhanqushi。

   伺服係統控製器的實現方式在數字控製中也在由硬件方式向著軟件方式發展
；在軟件方式中也是從伺服係統的外環向內環、進而向接近電動機環路的更深層發展。

   目mu前qian，伺si服fu係xi統tong的de數shu字zi控kong製zhi大da都dou是shi采cai用yong硬ying件jian與yu軟ruan件jian相xiang結jie合he的de控kong製zhi方fang式shi，其qi中zhong軟ruan件jian控kong製zhi方fang式shi一yi般ban是shi利li用yong微wei機ji實shi現xian的de。這zhe是shi因yin為wei基ji於yu微wei機ji實shi現xian的de數shu字zi伺si服fu控kong製zhi器qi與yu模mo擬ni伺si服fu控kong製zhi器qi相xiang比bi，具ju有you下xia列lie優you點dian：

   （1） 能明顯地降低控製器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微處理機不斷湧現，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點。
   （2） 可顯著改善控製的可靠性。集成電路和大規模集成電路的平均無故障時（MTBF）大大長於分立元件電子電路。
   （3） 數字電路溫度漂移小，也不存在參數的影響，穩定性好。
   （4） 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電流、電壓引起的電磁幹擾問題

，因此可靠性比較高。
   （5） 采用微處理機的數字控製，使信息的雙向傳遞能力大大增強，容易和上位係統機聯運，可隨時改變控製參數。
   （6） 可以設計適合於眾多電力電子係統的統一硬件電路，其中軟件可以模塊化設計
，拚裝構成適用於各種應用對象的控製算法
；以滿足不同的用途。軟件模塊可以方便地增加、更改、刪減
，或者當實際係統變化時徹底更新。
   （7） 提高了信息存貯、監控、診斷以及分級控製的能力,使伺服係統更趨於智能化。
   （8） 隨著微機芯片運算速度和存貯器容量的不斷提高，性能優異但算法複雜的控製策略有了實現的基礎。

   5.0 高性能交流伺服係統的發展現狀和展望

   近10年來，永磁同步動機性能快速提高，與感應電動機和普通同步電動機相比
，其控製簡單
、良好的低速運行性能及較高的性價比等優點使得永磁無刷同步電動機逐漸成為交流伺服係統執行電動機的主流。尤其是在高精度
、高性能要求的中小功率伺服領域。而交流異步伺服係統仍主要集中在性能要求不高的、大功率伺服領域。

   自20世紀80年(nian)代(dai)後(hou)期(qi)以(yi)來(lai)，隨(sui)著(zhe)現(xian)代(dai)工(gong)業(ye)的(de)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)，對(dui)作(zuo)為(wei)工(gong)業(ye)設(she)備(bei)的(de)重(zhong)要(yao)驅(qu)動(dong)源(yuan)之(zhi)一(yi)的(de)伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)提(ti)出(chu)了(le)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)的(de)要(yao)求(qiu)
，研(yan)究(jiu)和(he)發(fa)展(zhan)高(gao)性(xing)能(neng)交(jiao)流(liu)伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)成(cheng)為(wei)國(guo)內(nei)外(wai)同(tong)仁(ren)的(de)共(gong)識(shi)。有(you)些(xie)努(nu)力(li)已(yi)經(jing)取(qu)得(de)了(le)很(hen)大(da)的(de)成(cheng)果(guo)，“硬形式”上存在包括提高製作電機材料的性能，改進電機結構
，提高逆變器和檢測元件性能、精度等研究方向和努力。“軟形式”上存在從控製策略的角度著手提高伺服係統性能的研究和探索。如采用“卡爾曼濾波法”估計轉子轉速和位置的“無速度傳感器化”
；采用高性能的永磁材料和加工技術改進PMSM轉子結構和性能，以通過消除/削弱因齒槽轉矩所造成的PMSM轉矩脈動對係統性能的影響


；采用基於現代控製理論為基礎的具有將強魯棒性的滑模控製策略以提高係統對參數攝動的自適應能力；在傳統PID控製基礎上進入非線性和自適應設計方法以提高係統對非線性負載類的調節和自適應能力；基於智能控製的電機參數和模型識別，以及負載特性識別。

   對於發展高性能交流伺服係統來說，由於在一定條件下，作為“硬形式”存在的伺服電機、逆變器以相應反饋檢測裝置等性能的提高受到許多客觀因數的製約；而以“軟形式”存在的控製策略具有較大的柔性
，近年來隨著控製理論新的發展
，尤其智能控製的興起和不斷成熟，加之計算機技術
、微電子技術的迅猛發展
，使得基於智能控製的先進控製策略和基於傳統控製理論的傳統控製策略的“集成”得以實現，並為其實際應用奠定了物質基礎。

   伺服電機自身是具有一定的非線性、強耦合性及時變性的“係統”
，同(tong)時(shi)伺(si)服(fu)對(dui)象(xiang)也(ye)存(cun)在(zai)較(jiao)強(qiang)的(de)不(bu)確(que)定(ding)性(xing)和(he)非(fei)線(xian)性(xing)
，加(jia)之(zhi)係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)時(shi)受(shou)到(dao)不(bu)同(tong)程(cheng)度(du)的(de)幹(gan)擾(rao)，因(yin)此(ci)按(an)常(chang)規(gui)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)很(hen)難(nan)滿(man)足(zu)高(gao)性(xing)能(neng)伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)的(de)控(kong)製(zhi)要(yao)求(qiu)。為(wei)此(ci)，如(ru)何(he)結(jie)合(he)控(kong)製(zhi)理(li)論(lun)新(xin)的(de)發(fa)展(zhan)，引(yin)進(jin)一(yi)些(xie)先(xian)進(jin)的(de)“複合型控製策略”以改進“控製器”性能是當前發展高性能交流伺服係統的一個主要“突破口”。

   6.0結束語

21世紀是一個嶄新的世紀
，也定將是各項科學技術飛速發展的世紀。相信隨著材料技術、電力電子技術
、控製理論技術
、計算機技術

、微電子技術的快速發展以及電機製造工藝水平的逐步提高，同時伴隨著製造業的不斷升級和“柔性製造技術”的快速發展，必將為“柔性加工和製造技術”的核心技術之一的“伺服驅動技術”迎來又一大好的發展時機。