伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展綜述

林秋霞

摘要：伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是根據(jù)一定的指令信息對(duì)驅(qū)動(dòng)元件進(jìn)行控制，并加以擴(kuò)充，使機(jī)械系統(tǒng)執(zhí)行部件按指令要求運(yùn)動(dòng)的一種控制技術(shù)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和微電子技術(shù)的飛速進(jìn)步，伺服技術(shù)越來(lái)越成熟，國(guó)內(nèi)的伺服行業(yè)也在不斷發(fā)展。廣泛應(yīng)用于機(jī)械包裝、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等行業(yè)。本文將分析伺服系統(tǒng)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)，并展望未來(lái)伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：伺服技術(shù);伺服系統(tǒng);應(yīng)用;發(fā)展趨勢(shì)

一、目前存在的問(wèn)題和解決辦法

1.目前存在的問(wèn)題

目前，國(guó)內(nèi)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與國(guó)外伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍存在較大差距，特別是在高速、高剛性、大功率電主軸及驅(qū)動(dòng)裝置、高轉(zhuǎn)矩電機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置、高推力直線電機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置等方面。目前，數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是高速、高精度、高動(dòng)態(tài)、高切削。對(duì)定位系統(tǒng)的要求包括：定位速度和輪廓切割進(jìn)給速度，定位精度和輪廓切割精度，精加工表面粗糙度，外部干擾下的穩(wěn)定性。這些要求的滿足主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

基于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)的兩用化特點(diǎn)，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的主要手段是技術(shù)封鎖。在技術(shù)密集型的高端伺服驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)控制器的規(guī)模一直受到壓制，導(dǎo)致利潤(rùn)空間被大大壓縮。目前，以日本發(fā)那科和德國(guó)西門(mén)子為首的控制器巨頭產(chǎn)品壟斷市場(chǎng)超過(guò)80%。高端產(chǎn)品不僅具有壟斷性，而且限制了中國(guó)的進(jìn)口。國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)前景仍不容樂(lè)觀。

2.擬解決辦法

2.1加強(qiáng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的科研力度

在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)中，需要建立一個(gè)由國(guó)家、科研機(jī)構(gòu)、高校實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)合作的多面、多層次、多形式的科學(xué)研究形式。一方面，企業(yè)需要根據(jù)現(xiàn)有的伺服驅(qū)動(dòng)裝置控制平臺(tái)技術(shù)和技術(shù)成果，進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)加強(qiáng)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝研究和可靠性設(shè)計(jì)，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。迅速將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)需求的快速增長(zhǎng)，進(jìn)一步迅速拓展國(guó)內(nèi)伺服驅(qū)動(dòng)裝置市場(chǎng)。在高端伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)中，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)產(chǎn)品的高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高剛性、高過(guò)載能力，高可靠性方面的研究。為了更好地服務(wù)于我國(guó)軍民工業(yè)，對(duì)電磁兼容性強(qiáng)等高端伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的研究應(yīng)努力縮小與國(guó)外高端伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的技術(shù)差距。另一方面，在國(guó)家層面，相關(guān)部門(mén)應(yīng)抓住機(jī)遇，為中國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)的重點(diǎn)企業(yè)提供相關(guān)政策支持，引導(dǎo)、鼓勵(lì)、督促相關(guān)企業(yè)加大高新技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)。在產(chǎn)學(xué)研模式組織下，學(xué)習(xí)并研究創(chuàng)新模式，充分利用新技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)進(jìn)一步融合集成制造技術(shù)，控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。依靠技術(shù)引進(jìn)、消化吸收再到自主研發(fā)自主創(chuàng)新，打破國(guó)際壟斷形勢(shì)，逐步打破技術(shù)封鎖和遏制，加快技術(shù)進(jìn)步，走出具有中國(guó)特色的數(shù)控技術(shù)道路。

2.2企業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展核心技術(shù)

能掌握獨(dú)立的伺服驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)技術(shù)，它是決定一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)工廠市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的決定性因素。國(guó)外所有成功的數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)都具有自主研發(fā)的核心技術(shù)以及伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)配套能力。這對(duì)我國(guó)伺服系統(tǒng)的發(fā)展無(wú)疑具有很好的借鑒意義。由此可見(jiàn)，發(fā)展我國(guó)自己的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)已迫在眉睫。只要國(guó)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)通過(guò)不斷深化研究開(kāi)發(fā)，定能取得重大突破，獲得自主研究的核心技術(shù)，取得更大的國(guó)際市場(chǎng)份額。

二、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

1.全數(shù)字化

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以模擬電子器件為主的傳統(tǒng)的伺服控制單元可以用更先進(jìn)、更準(zhǔn)確、更方便的數(shù)字信號(hào)處理機(jī)和高速微處理器組成的伺服控制單元替代，實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的模式，由原有的硬件控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為軟件控制系統(tǒng)，具有更強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，從而可以將現(xiàn)代控制系統(tǒng)中的先進(jìn)算法比如人工智能、模糊控制等應(yīng)用于伺服系統(tǒng)中。

2.交流化

交流系統(tǒng)相較于直流系統(tǒng)，性能更優(yōu)越，操作更方便，因此，直流伺服系統(tǒng)也逐漸向交流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。目前，交流伺服系統(tǒng)幾乎占據(jù)了國(guó)際市場(chǎng)，交流伺服電機(jī)在發(fā)達(dá)國(guó)家所有產(chǎn)品中所占的份額已經(jīng)達(dá)到80%以上，而在中國(guó)，還是以生產(chǎn)直流伺服電機(jī)為主，但是交流伺服電機(jī)的市場(chǎng)份額正在日漸攀升?？梢钥闯?，在不久的將來(lái)，除了一些原有的直流伺服電機(jī)外，所有的市場(chǎng)都將被交流伺服電機(jī)所占據(jù)。

3.小型化和微型化

目前，大多數(shù)新型的功率半導(dǎo)體器件，如功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、IGBT和晶體管，都被用于伺服控制系統(tǒng)。通過(guò)這些器件的使用，降低了伺服單元輸出回路的功耗。提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，消除了工作噪聲。最新研發(fā)出的智能控制模塊是將電路控制功能和大功率電子開(kāi)關(guān)元件集中在一個(gè)模塊中，集中了能耗制動(dòng)、過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)、輸入隔離和故障診斷等功能。使得伺服單元的設(shè)計(jì)得以精簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)小型化和微型化。

4.智能化

如今，人工智能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。智能化是工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是工業(yè)自動(dòng)化推進(jìn)過(guò)程中的重要系統(tǒng)之一，因此伺服系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展必然朝著智能化的方向發(fā)展。智能化的優(yōu)點(diǎn)之一是具有強(qiáng)大的參數(shù)記憶功能。通過(guò)人機(jī)對(duì)話，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)都能保存在伺服單元內(nèi)部，通過(guò)通信接口與計(jì)算機(jī)連接，可以直接在計(jì)算機(jī)上設(shè)置參數(shù)，十分迅速便捷。其次，智能伺服系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自診斷和分析能力，能夠進(jìn)行自診斷和故障排除，以及分析和反饋，并及時(shí)將具體的故障原因和分析結(jié)果反饋給客戶(hù)，使員工及時(shí)準(zhǔn)確的維護(hù)和監(jiān)控。此外，一些智能伺服系統(tǒng)還具有參數(shù)自整定功能，可在試運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)必要的閉環(huán)調(diào)節(jié)能力，調(diào)整內(nèi)部參數(shù)，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行，減少人力物力消耗。因此，更先進(jìn)的面向服務(wù)的自我整定功能設(shè)計(jì)是伺服系統(tǒng)智能化發(fā)展的趨勢(shì)。

5.高抗干擾性

伺服系統(tǒng)應(yīng)具有兩種抗干擾能力，一種是外圍設(shè)備對(duì)伺服系統(tǒng)無(wú)干擾;二是伺服系統(tǒng)不受外圍設(shè)備的干擾。干擾分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。想要解決伺服系統(tǒng)受到干擾的問(wèn)題，應(yīng)從干擾源處分析求解。常用的抗干擾方法有：加入超導(dǎo)磁環(huán)、隔離、濾波、屏蔽等。一些專(zhuān)家提出了一種消除固定電機(jī)干擾脈沖和由于電機(jī)軸抖動(dòng)引起的誤差碼脈沖的算法。將該算法應(yīng)用于實(shí)際交流伺服控制系統(tǒng)，結(jié)果表明，在保證編碼器分辨率不變的前提下，系統(tǒng)的檢測(cè)精度有了很大的提高。

三、結(jié)語(yǔ)

總之，伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向是滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。伺服控制技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化的支撐技術(shù)之一，將致力于智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、高速、高性能的發(fā)展方向，更好地服務(wù)于工業(yè)自動(dòng)化的高效生產(chǎn)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭小武，劉江濤，賴(lài)德全.伺服電機(jī)的發(fā)展及研究綜述[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（12）：129. DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2019.12.107.