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案例頻道 （南京工業大學運動控制研究所，江蘇 南京 210009） 舒志兵，董 科，章 杰，盧宗春，湯世松
舒志兵 （1965-）男，南京工業大學自動化學院運動控制研究所所長，中國人工智能學會智能檢測與運動控制專業委員會秘書長。長期從事測控技術、運動控制、傳感器技術、電力電子技術及電氣控制系統研究，主要研究方向為機器人、非線性多變量控制、變頻調速、交直流傳動、伺服運動控制、DSP技術、現場總線、數控系統及其機電一體化系統等。
摘要：現代交流伺服系統對自動化、自動控制、電氣技術、電力系統及自動化、機電一體化、電機電器與控制等專業既是一門基礎技術，又是一門專業技術，因為它不僅分析各種基本的變換電路，而且結合生產實際，解決各種復雜定位控制問題，如機器人控制，數控機床等。本文研究的內容，就是現代交流伺服系統及其工業柔性制造系統的構成與應用，該項目研究目標是構成一個三維伺服控制系統，通過微機編程，可進行三個自由度的協調控制，實現高速（3000r/min）、高精度（16384P/R）、低震動等伺服特性，該技術代表21世紀最新調速及伺服傳動控制，可應用于機器人控制、柔性制造業等領域， 具有節約能源，提高勞動生產率的重要意義，必將在21世紀的機械加工自動化領域開創一個嶄新的時代。
關鍵詞：交流伺服；數控加工；伺服電機
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 機電一體化及其機床電氣控制技術的發展概況
現代化生產的水平、產品的質量和經濟效益等各項指標，在很大程度上取決于生產設備的先進性和電氣自動化程度。機電一體化技術是隨著科學技術的不斷發展，生產工藝不斷提出新的要求而迅速發展的。在控制方法上主要是從手動到自動；在控制功能上，是從簡單到復雜；在操作上，是由笨重到輕巧。隨著新的控制理論和新型電器及電子器件的出現，又為電氣控制技術的發展開拓了新的途徑。
傳統的機床電氣控制是繼電器接觸式控制系統，由繼電器、接觸器、按鈕、行程開關等組成，實現對機床的啟動、停車、有極調速等控制。繼電器接觸式控制系統的優點是結構簡單、維護方便、抗干擾強、價格低，因此廣泛應用于各類機床和機械設備。目前，在我國繼電器接觸式控制仍然是機床和其他機械設備最基本的電氣控制形式之一。
在實際生產中，由于大量存在一些用開關量控制的簡單的程序控制過程，而實際生產工藝和流程又是經常變化的，因而傳統的繼電器接觸式控制系統常不能滿足這種要求，因此曾出現了繼電器接觸控制和電子技術相結合的控制裝置，叫做順序控制器。
它能夠根據生產的需要改變控制程序，而又遠比電子計算機結構簡單，價格低廉，它是通過組合邏輯元件插接或編程來實現繼電器接觸控制的。但它的裝置體積大，功能也受到一定限制。隨著大規模集成電路和微處理機技術的發展及應用，上述控制技術也發生了根本性的變化，在上世紀70年代出現了將計算機的存儲技術引入順序控制器，產生了新型工業控制器——可編程序控制器（PLC），它兼備了計算機控制和繼電器控制系統兩方面的優點，故目前在世界各國已作為一種標準化通用裝置普遍應用于工業控制。
為解決占機械總加工量80％左右的單件和小批量生產的自動化的難題，上世紀50年代出現了數控機床。它綜合應用了電子技術、計算機技術、檢測技術、自動控制和機床結構設計等各個技術領域的最新技術成就，它是典型的機電一體化產品。
數控機床經過60年來的發展，品種日益增多，性能不斷完善，其中以輪廓控制的數控機床和帶有自動換刀裝置和工作臺能自動轉位的數控加工中心發展更為迅速。數控機床由控制介質、數控裝置、伺服系統和機床本體等部分組成，其中伺服系統的性能是決定數控機床加工精度和生產率的主要因素之一。在數控機床中使用永磁無刷伺服電機代替步進電機做進給已經成為標準，部分高端產品開始采用永磁交流直線伺服系統。在主軸傳動中采用高速永磁交流伺服取代異步變頻驅動來提高效率和速度也成為熱點。90年代以來，歐、美、日各國爭相開發應用新一代高速數控機床，高速電主軸單元轉數在30000r pm～100000rpm，工作臺的進給速度在分辨率為1μm時達到100m/min，甚至200m/min以上, 在分辨率為0.1μs時，在24m/min以上。當今數控機床突出高速、高精、高動態、高剛性的特點，對位置系統的要求包括：定位速度和輪廓切削進給速度；定位精度和輪廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干擾下的穩定性。這些要求的滿足主要取決于伺服系統的靜態、動態特性。我們已經看到國產伺服系統比如廣數的產品在經濟型數控機床上的廣泛應用，但是在中高檔數控機床上采用國產伺服系統仍然面臨困難，性能是一個重要方面，還有就是穩定性和可靠性，或許品牌效應也是難以短時間逾越的障礙。
2 伺服系統在數控加工中的作用及組成
伺服來自英文單詞Se r v o，指系統跟隨外部指令進行人們所期望的運動，運動要素包括位置、速度和力矩。伺服系統的發展經歷了從液壓、氣動到電氣的過程，而電氣伺服系統包括伺服電機、反饋裝置和控制器。在20世紀60年代，最早是直流電機作為主要執行部件，在70年代以后，交流伺服電機的性價比不斷提高，逐漸取代直流電機成為伺服系統的主導執行電機?？刂破鞯墓δ苁峭瓿伤欧到y的閉環控制，包括力矩、速度和位置等。我們通常說的伺服驅動器已經包括了控制器的基本功能和功率放大部分。雖然采用功率步進電機直接驅動的開環伺服系統曾經在90年代的所謂經濟型數控領域獲得廣泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。進入21世紀，交流伺服系統越來越成熟，市場呈現快速多元化發展，國內外眾多品牌進入市場競爭。目前交流伺服技術已成為工業自動化的支撐性技術之一。
在自動控制系統中，把輸出量能夠以一定準確度跟隨輸入量的變化而變化的系統稱為隨動系統，亦稱伺服系統。數控機床的伺服系統是指以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統，又稱為隨動系統。
伺服系統由伺服驅動裝置和驅動元件（或稱執行元件伺服電機）組成，高性能的伺服系統還有檢測裝置，反饋實際的輸出狀態。
數控機床伺服系統的作用在于接受來自數控裝置的指令信號，驅動機床移動部件跟隨指令脈沖運動，并保證動作的快速和準確，這就要求高質量的速度和位置伺服。以上指的主要是進給伺服控制，另外還有對主運動的伺服控制，不過控制要求不如前者高。數控機床的精度和速度等技術指標往往主要取決于伺服系統。
在交流伺服系統中，電動機的類型有永磁同步交流伺服電機（PMSM）和感應異步交流伺服電機（IM），其中，永磁同步電機具備十分優良的低速性能、可以實現弱磁高速控制，調速范圍寬廣、動態特性和效率都很高，已經成為伺服系統的主流之選。
而異步伺服電機雖然結構堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率場合得到重視。
交流伺服系統的性能指標可以從調速范圍、定位精度、穩速精度、動態響應和運行穩定性等方面來衡量。低檔的伺服系統調速范圍在1：1000以上，一般的在1：5000～1：10000，高性能的可以達到1：100000以上；定位精度一般都要達到±1個脈沖，穩速精度，尤其是低速下的穩速精度比如給定1rpm時，一般的在±0.1rpm以內，高性能的可以達到±0.01rpm以內；動態響應方面，通常衡量的指標是系統最高響應頻率，即給定最高頻率的正弦速度指令，系統輸出速度波形的相位滯后不超過90度或者幅值不小于50％。進口三菱伺服電機MR－J3系列的響應頻率高達900Hz，而國內主流產品的頻率在200～500Hz。運行穩定性方面，主要是指系統在電壓波動、負載波動、電機參數變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾、以及其他特殊運行條件下，維持穩定運行并保證一定的性能指標的能力。這方面國產產品、包括部分臺灣產品和世界先進水平相比差距較大。
在控制策略上，基于電機穩態數學模型的電壓頻率控制方法和開環磁通軌跡控制方法都難以達到良好的伺服特性，目前普遍應用的是基于永磁電機動態解耦數學模型的矢量控制方法，這是現代伺服系統的核心控制方法。雖然人們為了進一步提高控制特性和穩定性，提出了反饋線性化控制、滑模變結構控制、自適應控制等理論，還有不依賴數學模型的模糊控制和神經元網絡控制方法，但是大多在矢量控制的基礎上附加應用這些控制方法。還有，高性能伺服控制必須依賴高精度的轉子位置反饋，人們一直希望取消這個環節，發展了無位置傳感器技術（Sensorless Control）。至今，在商品化的產品中，采用無位置傳感器技術只能達到大約1：100的調速比，可以用在一些低檔的對位置和速度精度要求不高的伺服控制場合中，比如單純追求快速起停和制動的縫紉機伺服控制，這個技術的高性能化還有很長的路要走。
3 伺服系統的基本要求和特點
（1） 對伺服系統的基本要求
穩定性好：穩定是指系統在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節過程后到達新的或者回復到原有的平衡狀態。
精度高：伺服系統的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數控機床，要求的定位精度或輪廓加工精度通常都比較高，允許的偏差一般都在 0.01～0.00lmm之間。
快速響應性好：快速響應性是伺服系統動態品質的標志之一，即要求跟蹤指令信號的響應要快，一方面要求過渡過程時間短，一般在200ms以內，甚至小于幾十毫秒；另一方面，為了滿足超調要求，要求過渡過程的前沿陡，即上升率要大。
（2） 伺服系統的主要特點
精確的檢測裝置：以組成速度和位置閉環控制。
有多種反饋比較原理與方法：根據檢測裝置實現信息反饋的原理不同，伺服系統反饋比較的方法也不相同。目前常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較三種。
高性能的伺服電動機（簡稱伺服電機）：用于高效和復雜型面加工的數控機床，伺服系統將經常處于頻繁的啟動和制動過程中。要求電機的輸出力矩與轉動慣量的比值大，以產生足夠大的加速或制動力矩。要求伺服電機在低速時有足夠大的輸出力矩且運轉平穩，以便在與機械運動部分連接中盡量減少中間環節。
寬調速范圍的速度調節系統，即速度伺服系統：從系統的控制結構看，數控機床的位置閉環系統可以看作是位置調節為外環、速度調節為內環的雙閉環自動控制系統，其內部的實際工作過程是把位置控制輸入轉換成相應的速度給定信號后，再通過調速系統驅動伺服電機，實現實際位移。數控機床的主運動要求調速性能也比較高，因此要求伺服系統為高性能的寬調速系統。
4 伺服系統的分類
伺服系統按其驅動元件劃分，有步進式伺服系統、直流電動機（簡稱直流電機）伺服系統、交流電動機（簡稱交流電機）伺服系統。按控制方式劃分，有開環伺服系統、閉環伺服系統和半閉環伺服系統等，實際上數控系統也分成開環、閉環和半閉環三種類型，就是與伺服系統這三種方式相關。
（1） 開環系統
圖1是開環系統構成圖，它主要由驅動電路，執行元件和機床三大部分組成。常用的執行元件是步進電機，通常稱以步進電機作為執行元件的開環系統為步進式伺服系統，在這種系統中，如果是大功率驅動時，用步進馬達作為執行元件。驅動電路的主要任務是將指令脈沖轉化為驅動執行元件所需的信號。
圖1 開環系統構成圖
（2） 閉環系統
閉環系統主要由執行元件、檢測單元、比較環節、驅動電路和機床五部分組成。其構成框圖如圖2所示。在閉環系統中，檢測元件將機床移動部件的實際位置檢測出來并轉換成電信號反饋給比較環節。常見的檢測元件有旋轉變壓器、感應同步器、光柵、磁柵和編碼盤等。通常把安裝在絲杠上的檢測元件組成的伺服系統稱為半閉環系統；把安裝在工作臺上的檢測元件組成的伺服系統稱為閉環系統。由于絲杠和工作臺之間傳動誤差的存在，半閉環伺服系統的精度要比閉環伺服系統的精度低一些。
圖2 閉環系統構成圖
比較環節的作用是將指令信號和反饋信號進行比較，兩者的差值作為伺服系統的跟隨誤差，經驅動電路，控制執行元件帶動工作臺繼續移動，直到跟隨誤差為零。根據進入比較環節信號的形式以及反饋檢測方式，閉環（半閉環）系統可分為脈沖比較伺服系統、相位比較伺服系統和幅值比較伺服系統三種。
由于比較環節輸出的信號比較微弱，不足以驅動執行元件，故需對其進行放大，驅動電路正是為此而設置的。
執行元件的作用是根據控制信號，即來自比較環節的跟隨誤差信號，將表示位移量的電信號轉化為機械位移。常用的執行元件有直流寬調速電動機、交流電動機等。執行元件是伺服系統中必不可少的一部分，驅動電路是隨執行元件的不同而不同的。如圖3所示。
圖4 交流伺服系統的構成
5 伺服系統的發展方向
從最近幾年在德國紐倫堡舉辦的SPS/IPC/Drives展覽上可以看到世界范圍內電氣伺服驅動系統、運動控制和相關軟件的最新情況，其中交流伺服產品的亮點很多，代表了當前的國際水平。
這里僅僅摘錄幾條，相對應的，國內廠商的研發動向也對比進行說明。
貝加萊（B&R）工業自動化公司推出的AcoposMulti驅動系統采用模塊化的可擴展結構，每個軸模塊可以提供1到2個伺服軸控制，并集成了一個24VDC的輔助電源模塊，為驅動器、控制器和外圍設備提供了一個到直流總線的鏈接，來獲得開路、短路和過載保護。其他特性包括通過空氣，油或水進行冷卻的模塊化設計，通過一個能量再生系統確保環境的安全性。在國內，我們還沒有看到有廠商進行類似的模塊式設計，并在產品中融入機器安全概念。
艾爾默（Elmo）公司展出了一系列伺服驅動器與控制器，包括最新的微型數字伺服驅動器Whistle。這些火柴盒大小的驅動器尺寸雖僅為：5×4.6×1.5cm，但卻能提供0.5 kW的連續功率（或1kW的峰值功率）。為當今市場上最高功率密度與智能的伺服驅動器，集成了高性能32位RISC芯片，提供RS232、485，powerlink等帶CAN通訊的驅動模塊，擁有現場總線通訊控制功能和32位運動指令，包括高級的圓弧插補指令，采用17位絕對值編碼器。
艾默生控制技術（Emerson Control Techniques）公司最近展出了Unidrive及其他交、直流驅動器產品。Unidrive 驅動器覆蓋功率范圍從0.55~675kW，變換不同的控制軟件可以驅動異步電機、永磁同步伺服電機和無刷直流電機。額定輸出功率為0.25~11kW 的Varmeca型集成可變速度電機與可變速度驅動器（VSD），具有閉環矢量與分布式（Proxdrive）兩個版本。值得注意的是適合在爆燃性氣體中工作的VSD系統（ATEX），而額定輸出功率為 0.55~400kW的FLSD驅動器，則據稱能在IIB類或IIC區1類2分類氣體中工作。相對應的，國內伺服驅動器廠商的產品功率范圍多在10kW以下，而且沒有特殊防護等級的商品化產品面世，這方面國內外的差距很大，也是未來國內伺服廠商差異化競爭的方向。
Rockwell Automation公司展出了PowerFlex驅動技術。
PowerFlex的發展路線圖顯示，將于06~07年出現的“公共工業協議（CIP）運動應用協議”，有望無縫同步在同一系統中運行的多軸伺服與變頻驅動器中。
施耐德電氣（Schneider Electric）最近推出的Lexium 05型伺服控制器具有和VFD變頻器一樣外形，目標是低成本應用。
實際上，利用變頻器的批量生產能力推出低端伺服，已經成為一些廠商的競爭手段。該公司旗下的Berger Lahr品牌在其展臺上隨處可見。其智能、集成電機與控制器產品 (Icla) 主要有以下三個電機版本：步進電機、交流伺服電機與三相無刷直流電機。Icla（來源于“集成、閉環、執行器”的首字母縮寫）將電機、位置控制、功率電子與反饋集成在一個緊湊單元中。這種一體化設計的思路在美國的Animatics等公司身上也體現得很明顯，來自德國的AMK公司也有類似的產品。這是真正的機電一體化產品，為設計者帶來了一系列的工程挑戰，包括電磁兼容、熱控制、元器件小型化、特殊的結構設計等。在國內，沒有見到有廠商推出自主知識產權的產品。
包米勒（Baumul l e r）公司提供的帶集成行星齒輪傳動系的高性能伺服電機，擁有高達98％的效率和很低的噪音；直接驅動型高力矩伺服電機，可以在100～300rpm范圍內輸出13500Nm。在國內，我們看到和利時電機公司在其海豚系列低壓無刷伺服電機系列中提供了類似的帶集成行星齒輪減速器的產品，深圳步進也宣稱可以提供帶減速器的步進化伺服電機。在直接驅動力矩電機市場，成都精密電機廠可以提供定制化的電機組件，但是需要客戶另外加裝反饋裝置和第三方驅動器。
安川電機歐洲公司（Yaskawa Electric Europe，YEE）展出了其廣受歡迎的通用Sigma II型伺服電機。YEE的其他進展包括正在開發中的額定功率0.5~5KW防爆及遵循ATEX標準的交流伺服電機。安川公司的另一項開發成果是輸出功率高達500KW的高功率伺服電機。該項目的商品化預計將于近期完成。從中我們可以看到國際大廠向專用化、大型化伺服發展的動向。
在適合運動控制的工業協議方面，我們還看到Beckhoff的EtherCAT，B&R的PowerLink，Danaher下面的MEI開發的SynqNet，Siemens的ProfiNet，還有久負盛名的Sercos已經發展到SercosIII。這些通訊協議都為多軸實時同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驅動器集成進去。在國內，甚至CAN這樣的中低端總線也沒有變成伺服驅動器的標準配置，采用高性能實時現場總線的商品化驅動器還沒有出現。這一方面是因為我們的伺服基本性能還沒有達到相應的水準，另一方面也是因為市場還沒有發育到這個程度。可喜的是，我們已經看到一些單位進行了有益的研發實踐，一方面消化國外的先進技術，一方面嘗試推出自己的總線標準。
總之，隨著生產力的不斷發展，要求伺服系統向高精度、高速度、大功率方向發展。
充分利用迅速發展的電子和計算機技術，采用數字式伺服系統，利用微機實現調節控制，增強軟件控制功能，排除模擬電路的非線性誤差和調整誤差以及溫度漂移等因素的影響，這可大大提高伺服系統的性能，并為實現最優控制、自適應控制創造條件。
開發高精度、快速檢測元件。
開發高性能的伺服電機（執行元件）。目前交流伺服電機的變速比已達1：10000，使用日益增多。無刷電機因無電刷和換向片零部件，加速性能要比直流伺服電機高兩倍，維護也較方便，常用于高速數控機床。
參考文獻：
[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] 國家自然科學基金委員會工程與材料科學部,機械工程科學技術前沿[M]. 北京:機械工業出版社，1996
[12] 任仲貴. 現代制造工程[M]. 上海: 中國紡織大學出版社，1999
[13] 唐榮錫. 柔性制造系統[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社，1994
[14] 舒志兵. 交流伺服運動控制系統[M]. 北京:清華大學出版社，2006
[15] 舒志兵. 現場總線運動控制系統[M]. 北京:電子工業出版社,2007 .
[16] 舒志兵. 機電一體化系統與應用[M]. 北京:電子工業出版社,2007.
[17] 舒志兵. 數控加工技術[M].北京:電子工業出版社,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《自動化博覽》2010年第十一期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號