谈工业控制电气伺服驱动技术及其发展

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关键词:工业 控制伺服驱动 生产设备

    1 伺服驱动系统的基本概念和应用

      围绕伺服驱动装置的动态特性与静态特性的提高,近年来国内外发展了多种伺服驱动技术。电气伺服技术应用广泛,主要原因是控制方便灵活,容易获得驱动能源,没有公害污染,维护也比较容易。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展,它为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。

      伺服系统一是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值(或给定值)任意变化的自动控制系统。伺服的主要任务是按控制命令的要求,对功率进行放大、变换与调控等处理,使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由位置检测部分、误差放大部分、执行部分及被控对象组成。

      伺服系统的性能要求:伺服系统必须具备可控性好,稳定性高和速应性强等基本性能。可控性好是指信号消失以后,能立即自行停转;稳定性高是指转速随转距的增加而均匀下降;速应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。

      伺服驱动系统综合了伺服电动机、角位移传感器和伺服驱动控制器的最新成就,与采用新型电力电子器件、专用集成电路和新的控制算法的交流伺服驱动器相匹配,组成新型高性能机电一体化产品。这种系统以仅仅数年的成长期迅速进入鼎盛阶段,在工业自动化领域及现代军事装备中获得了越来越多的应用。伺服驱动装置作为伺服机构的运动控制系统,无论是数控机床、工业机器人、冶金、化工设备、雷达以及各种工业自动化过程中数控装置,其执行部分均使用了各种数字式或模拟式伺服驱动系统。它的功率不大,由几瓦到几十千瓦,但却是一项关键的基础技术。上述设备的性能和工作可靠性、经济性,均与所用伺服驱动系统有直接关系。

      伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系,伺服电动机至今已有五十多年的发展历史,经历了三个主要发展阶段:第一个阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代,伺服系统的位置控制为开环系统;第二个阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代,由于直流电动机具有优良的调速性能,很多高性能驱动装置采用了直流电动机,伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域,永磁式直流电动机占统治地位,其控制电路简单,无励磁损耗,低速性能好;第三个阶段在20世纪90年代,是以机电一体化作为背景的,由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展,出现了无刷直流伺服电动机(方波驱动),交流伺服电动机(正弦波驱动)等种种新型电动机。因为微电子技术的快速发展,电路的集成度越来越高,对伺服系统产生了很重要的影响,交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展,并由硬件伺服转向软件伺服,智能化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展;在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。从伺服驱动产品当前的应用来看,直流伺服产品正逐渐减少,交流伺服产品则日渐增加,市场占有率逐步扩大。在实际应用中,精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为工厂自动化等各个领域中的主流产品。伺服系统在机电设备中具有重要的地位,高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。随着技术的进步和整个工业的不断发展,拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取代传统的液压、直流、步进和AC变频调速驱动,以便使系统性能达到一个全新的水平,包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。

    2 伺服驱动系统的分类及其特性

      伺服驱动系统的种类:通常根据伺服驱动机的种类来分类,有电气式、油压式或电气一油压式三种。伺服系统若按功能来分,则有计量伺服和功率伺服系统;模拟伺服和功率伺服系统;位置伺服和加速度伺服系统等。电气式伺服系统根据电气信号可分为DC直流伺服系统和AC交流伺服系统。AC交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种。交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分:永磁同步(SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。其中,永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟,具备了十分优良的低速性能,并可实现弱磁高速控制,拓宽了系统的调速范围,适应了高性能伺服驱动的要求。随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低,其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛,目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固,制造容易,价格低廉,因而具有很好的发展前景,代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制,相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂,而且电机低速运行时还存在着效率低、发热严重等有待克服的技术问题,目前并未得到普遍应用。

      交流伺服系统根据其处理信号的方式不同,可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和全数字式伺服;如果按照使用的伺服电动机的种类不同,又可分为两种:一种是用永磁同步伺服电动机构成的伺服系统,包括方波永磁同步电动机伺服系统和正弦波永磁同步电动机伺服系统;另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。二者的不同之处在于永磁同步电动机伺服系统中需要采用磁极位置传感器,而感应电动机伺服系统中含有滑差频率计算部分。若采用微处理器软件实现伺服控制,可以使永磁同步伺服电动机和鼠笼型异步伺服电动机使用同一套伺服放大器。

      目前,伺服系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式,其中软件控制方式一般是利用微机实现的。这是因为基于微机实现的数字伺服控制器与模拟伺服控制器相比,具有下列优点:能明显地降低控制器硬件成本;速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现,硬件费用会变得很便宜;体积小、重量轻、耗能少,可显著改善控制的可靠性;集成电路和大规模集成电路的平均无故障时间(MTBF)大大长于分立元件电子电路;数字电路温度漂移小,也不存在参数的影响,稳定性好;在电路集成过程中采用了一些屏蔽措施,可以避免电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题,因此可靠性比较高;采用微处理机的数字控制,使信息的双向传递能力大大增强,容易和上位系统机联运,可随时改变控制参数;可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路,其中软件可以模块化设计,拼装构成适用于各种应用对象的控制算法;以满足不同的用途。软件模块可以方便地增加、更改、删减,或者当实际系统变化时彻底更新;提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力,使伺服系统更趋于智能化;随着微机芯片运算速度和存贮器容量的不断提高,性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。

    3 步进电机和交流伺服电机的使用性能

      步迸电机是一种离散运动的装置,它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中,步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现,交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势,运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似,但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。

      两相混合式步进电机步距角一般为3.60、1.8。,五相混合式步进电机步距角一般为0.720、0.36。。也有一些高性能的步进电机步距角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例,对于带标准2500线编码器的电机而言,由于驱动器内部采用了四倍频技术,其脉冲当量为360°/10 000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言,驱动器每接收217=131 072个脉冲,电机转一圈,即其脉冲当量为3600/131 072=9.89 s。是步距角为1.8。步进电机脉冲当量的1/655。

      步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关,一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时,一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象,比如在电机上加阻尼器,或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳,即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能,可涵盖机械的刚性不足,并且系统内部具有频率解析机能(FFr),可检测出机械的共振点,便于系统调整。

      步进电机的输出力矩随转速升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,所以其最高工作转速一般在300—600 RPM。交流伺服电机为恒力矩输出,即在其额定转速(一般为2 000 rpm或3 000 rpm)以内,都能输出额定转矩,在额定转速以上为恒功率输出。

      步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例,它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍,可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步迸电机因为没有这种过载能力,在选型时为了克服这种惯性力矩往往需要选取较大转矩的电机,而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩,便出现了力矩浪费的现象。

      步进电机的控制为开环控制,起动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象,停止时转速过高易出现过冲的现象,所以为保证其控制精度,应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制,驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样,内部构成位置环和速度环,一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象,控制性能更为实用。

      步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200~400 Ills。交流伺服系统的加速性能较好,以松下MSMA 400 W交流伺服电机为例,从静止加速到其额定转速3 000 rpm仅需几毫秒,可用于要求快速起停的控制场合。

      综上所述,交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。

    4 伺服驱动产品在工业生产中的应用

      由于伺服驱动产品在工业生产中的应用十分广泛,市场上的相关产品种类很多,从普通电机、变频电机、伺服电机、变频器、伺服控制到运动控制器、单轴控制器、多轴控制器、可编程控制器、上位控制单元乃至车问和厂级监控工作站等一应俱全。

    随着永磁材料制造工艺的不断完善,新一代的伺服电机大都采用了最薪的铷铁硼材料,该材料的剩余磁密、矫顽力和最大磁能积均好于其它永磁材料,再加上合理的磁极、磁路及电机结构设计,大大地提高了电机的性能,同时又缩小了电机的外形尺寸。薪一代的伺服电机大都采用了新型的位置编码器,这种位置编码器的信号线数量从9根减少到5根,并支持增量型和绝对值型两种类型,通信速率达4 M/s,通信周期为62.5μs,数据长度为12位,编码器分辨率为20 bit/rev,即每转生成100万个脉冲,最高转速达6 000 r/min,编码器电源电流仅为16斗A。伺服电机按照容量可以分为超小型(MINI型)、小容量型、中容量型和大容量型。超小容量型的功率范围为10—20 W,小容量型的功率范围为30~750 W,中容量型的功率范围为300~15 kW,大容量型的功率范围为22~55 kW。伺服电机的供电电压范围从100~400 V(单相/三相)。

      传统的模拟控制虽然具有连续性好、响应速度快及成本低的优点,但也有难以克服的缺点,如系统调试困难,容易受到环境温度变化的影响而产生漂移,难以实现柔性化设计,缺乏实现复杂计算的能力,无法实现现代化控制理论指导下的控制算法等。所以现代伺服控制均采用全数字化结构,伺服控制系统的主要理论也采用了现代矢量控制思想,它实现了电流向量的幅值控制和相位控制。为了提高产品的性能,新一代的伺服控制器采用了多种新技术、新工艺,主要体现在以下几个方面:在电流环路中采用了d—q轴变换电流单元,在新的控制方式中,主CPU的运算量得以减少,通过硬件来进行电流环控制,即将控制算法固化在LSI专用硬件环路中。通过采用高速的d—q轴变换电流单元,使电流环的转矩控制精度有了进一步的提高,实现了在稳态运行及瞬态运行时均能保持良好的性能。采用了脉冲编码器倍增功能,新的控制算法使位置控制的整定时间缩短为原来的三分之一。速度控制环采用速度实时检测控制算法,是电机的低速性能得到进一步提高,速度波动和转矩波动降到最低。采用在线自动锁定功能,使伺服系统的调试时间缩短,操作更加简化。采用主回路与控制回路进行电气隔离的结构,使操作及故障检测更加方便安全,供电电源电压从100 V扩展到400 V(单相/三相)。伺服控制一般均采用从电机轴端的位置编码器采集位置信号进行反馈,在受控执行机械部分没有反馈采样信号,即半闭环的控制方式。目前的新产品则采用全闭环的控制方式,使机械加工误差、齿轮间隙、结构受力弹性变形等误差所造成的影响在伺服控制器中通过计算完成修正。用RICS(精简指令计算机系统)技术,使CPU的数据处理能力由8位、16位提高到32位,微处理器的主频提高到百兆以上。

      随着工业机械化设备对高速化、高精度化和小型化以及多品种小批量化、高可靠性、免维护性能要求的提高,上位机控制群得以广泛应用。从上层的可编程控制器(PLC)、运动控制器、机床CNC控制器,可一直连到底层的通用输入/输出(I/O)控制单元和视觉传感系统。编程语言有梯形图、NC语言、SFC语言、运动控制语言等,均可按照用户要求灵活配置。系统可控制轴数从单轴到可支持多达44轴,控制器可以连接从模拟信号到网络信号的各种信号类型,可广泛应用于半导体制造设备、加工机械、搬运机械、卷扬机械等,具有很高的性能价格比。

    5 伺服控制系统逐渐成为工业设备的重要驱动源

      早在20世纪70年代,小惯量的伺服直流电动机已经实用化了,交流伺服系统开始发展,并逐步实用化,AC伺服电动机的应用越来越广,并且还有取代DC伺服系统的趋势成为电气伺服系统的主流。永磁转子的同步伺服电动机由于永磁材料不断提高,价格不断下降,控制又比异步电机简单,容易实现高性能的缘故,所以永磁同步电机的AC伺服系统应用更为广泛。目前,在交流同步伺服驱动系统中,普通应用的交流永磁同步伺服电动机有两大类。一类称为无刷直流电动机,它要求将方波电流直人定子绕组(BLDCM)。另一类称为三相永磁同步电动机,它要求输入定子绕组的电源仍然是三相正弦波形(PM·SM)。

      无刷直流电动机(BLDCM),用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极,将原直流电动机的电枢变为定子。有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流电流供给电枢绕组,而无刷直流电动机(BLDCM)是将方波电流(实际上也是梯形波)直接输入定子。将有刷直流电动机的定子和转子颠倒一下,并采用永磁转子,就可以省去机械换向器和电刷,由此得名无刷直流电动机。BLDCM定子每相感应电动势为梯形波,为了产生恒定的电磁转矩,要求功率逆变器向BLDCM定子输入三相对称方波电流,而SPWM、PM、SM定子每相感应电动势为近似正弦波,需要向SPWM、PM、SM定子输入三相对称正弦波电流。

      永磁同步电机的磁场来自电动机的转子上的永久磁铁,永久磁铁的特性在很大程度上决定了电机的特性。在转子上安装永磁铁的方式有两种。一种是将成形永久磁铁装在转子表面,即所谓外装式;另一种是将形成永久磁铁埋入转子里面,即所谓内装式。永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种。根据确定的转子结构所对应的每相励磁磁动势的分布不同,三相永磁同步电动机可分为两种类型:正弦波型和方波型永磁同步电机,前者每相励磁磁动势分布是正弦波状,后者每相励磁磁动势分布呈方波状,根据子路结构和永磁体形状的不同而不同。对于径向励磁结构,永磁体直接面向均匀气隙,如果采用系统永磁材料,由于稀土永磁的取向性好,可以方便地获得具有较好方波形状的气隙磁场。对于采用非均匀气隙或非均匀磁化方向长度的永磁体的径向励磁结构,气隙磁场波形可以实现正弦分布。综上所述两类永磁AC同步伺服电动机的差异归纳如下:控制原理相似,给定指令信号加到AC伺服系统的输入端,电动机轴上位置反馈信号与给定位置相比较,根据比较结果控制伺服的运动,直至达到所要求的位置为止。PM、SM和BLDCM二类伺服系统构成的基本思路是一致的。

      两种永磁无刷电动机比较而言,方波无刷直流电动机具有控制简单、成本低、检测装置简单、系统实现起来相对容易等优点。但是方波无刷直流电动机原理上存在固有缺陷,因电枢中电流和电枢磁势移动的不连续性而存在电磁脉动,而这种脉动在高速运转时产生噪声,在中低速又是平稳的力矩驱动的主要障碍。转矩脉动又使得电机速度控制特性恶化,从而限制了由其构成的方波无刷直流电动机伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合下的应用(尤其是在低速直接驱动场合)。因此,对于一般性能的电伺服驱动控制系统,选用方波无刷直流电动机及相应的控制方式。而PM、SM伺服系统要求定子输入三相正弦波电流,可以获得更好的平稳性,具有更优越的低速伺服性能。因而广泛用于数控机床,工业机器人等高性能高精度的伺服驱动系统中。

      目前,基于稀土永磁体的交流永磁伺服驱动系统,能提供最高水平的动态响应和扭矩密度。所以拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取替传统的液压、直流和步进调速驱动,以便使系统性能达到一个全新的水平,包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。因此,交流伺服这样一种扮演重要支柱技术角色的自动控制系统,在许多高科技领域得到了非常广泛的应用,如激光加工、机器人、数控机床、及柔性制造系统等。

      交流伺服系统作为现代工业生产设备的重要驱动源之一,是工业自动化不可缺少的基础技术。伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流(DC)和交流(AC)伺服系统。上世纪无刷电机和直流电机实现了产品化,并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。但直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点,在运行过程中转子容易发热,影响了与其连接的其他机械设备的精度,难以应用到高速及大容量的场合,机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。

      随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高,交流伺服技术一交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点,特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性体现出交流伺服系统的优越性。

    6 伺服驱动系统的发展方向

      近10年来,永磁同步动机性能快速提高,与感应电动机和普通同步电动机相比,其控制简单、良好的低速运行性能及较高的性价比等优点使得永磁无刷同步电动机逐渐成为交流伺服系统执行电动机的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服领域。而交流异步伺服系统仍主要集中在性能要求不高的、大功率伺服领域。

      现代交流伺服系统,经历了从模拟到数字化的转变,数字控制环已经无处不在,比如换相、电流、速度和位置控制;采用新型功率半导体器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服专用模块也不足为奇。国际厂商伺服产品每5年就会换代,新的功率器件或模块每2~2.5年就会更新一次,新的软件算法则日新月异,总之产品生命周期越来越短。近些年数字化交流伺服系统的应用越来越广,用户对伺服驱动技术的要求也越来越高。总结国内外伺服厂家的技术路线和产品路线,结合市场需求的变化,可以从以下方面看到一些最新的发展趋势。

      直接驱动包括采用盘式电机的转台伺服驱动和采用直线电机的线性伺服驱动,由于消除了中问传递误差,从而实现了高速化和高定位精度。直线电机容易改变形状的特点可以使采用线性直线机构的各种装置实现小型化和轻量化。采用更高精度的编码器(每转百万脉冲级),更高采样精度和数据位数、速度更快的DSP,无齿槽效应的高性能旋转电机、直线电机,以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略,不断将伺服系统的指标提高。

      电动机、反馈、控制、驱动、通讯的纵向一体化成为当前小功率伺服系统的一个发展方向。有时我们称这种集成了驱动和通讯的电机叫智能化电机,有时我们把集成了运动控制和通讯的驱动器叫智能化伺服驱动器。电机、驱动和控制的集成使三者从设计、制造到运行、维护都更紧密地融为一体。但是这种方式面临更大的技术挑战(如可靠性)和工程师使用习惯的挑战,因此很难成为主流,在整个伺服市场中是一个很小、有特色的部分。

      通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能,便于用户在不改变硬件配置的条件下,方便地设置成V/F控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式,适用于各种场合,可以驱动不同类型的电机,比如异步电机、永磁同步电机、无刷直流电机、步进电机,也可以适应不同的传感器类型,甚至无位置传感器。可以使用电机本身配置的反馈构成半闭环控制系统,也可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度全闭环控制系统。

      伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。从目前国际市场的情况看,几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达的国家,AC伺服电机的市场占有率已超过80%,在国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多,正在逐步超过生产DC伺服电机的厂家。可以预见,不久的将来,除了在某些微型电机领域之外,AC伺服电机将完全取代DC伺服电机。

      采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机(DSP)的伺服控制单元将全面取代模拟电子器件为主的伺服控制单元,从而实现完全数字化的伺服系统,将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制,从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进方法成为可能。新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法,代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元,只要通过软件设置系统参数,就可以改变其性能,既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统,又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。

      智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势,伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能,绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能,有的可以自动辨识电机的参数,自动测定编码器零位,有些则能自动进行振动抑止。将电子齿轮、电子凸轮、同步跟踪、插补运动等控制功能和驱动结合在一起,对于伺服用户来说,则提供了更好的体验。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品,他们的智能化特点表现在以下几个方面:具有参数记忆功能。系统的所有参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置,保存在伺服单元内部,通过通信接口,这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改;具有故障自诊断与分析功能。无论什么时候,只要系统出现故障,就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户面板清楚地显示出来,这就简化了维修与调试的复杂性;具有参数自整定的功能。众所周知,闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节,带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行自动将系统的参数整定出来,并自动实现其最优化。

      在国外,以工业局域网技术为基础的工厂自动化(简称FA)工程技术在最近十年来得到了长足的发展,并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势,最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口和专用的局域网接口。这些接口的设置,显著增强了伺服单元与其它控制设备的互联能力,从而与CNC系统间的连接也因此变得十分简单,只需要一根电缆或光缆,就可以将数台,甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。

      随着机器安全标准的不断发展,传统的故障诊断和保护技术已经落伍,最新的产品嵌入了预测性维护技术,使得人们可以通过Intemet及时了解重要技术参数的动态趋势,并采取预防性措施。比如:关注电流的升高,负载变化时评估尖峰电流;外壳或铁芯温度升高时监视温度传感器;以及对电流波形发生的任何畸变保持警惕。

      虽然市场上存在通用化的伺服产品系列,但是为某种特定应用场合专门设计制造的伺服系统比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形状、不同表面粘接结构(SPM)和嵌入式永磁(IPM)转子结构的电机出现,分割式铁芯结构工艺在日本的使用使永磁无刷伺服电机的生产实现了高效率、大批量和自动化,并引起国内厂家的研究。无论是永磁无刷伺服电机还是步进电机都积极向更小的尺寸发展,比如20,28,35 mln外径;同时也在发展更大功率和尺寸的机种,已经看到500 kW永磁伺服电机的出现。体现了向两极化发展的倾向。

      综上所述,伺服系统将向两个方向发展:一个是满足一般工业应用的要求,对性能指标要求不是很高的应用场合,追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品,如变频电机、变频器等;另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品一伺服电机、伺服控制器,追求高性能、高速度、数字化、智能化、网络化的驱动控制,以满足用户较高的要求。

      21世纪是一个崭新的世纪,也定将是各项科学技术飞速发展的世纪。相信随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高,同时伴随着制造业的不断升级和“柔性制造技术”的快速发展,必将为“柔性加工和制造技术”的核心技术之一的“伺服驱动技术”迎来又一大好的发展时机。

    (审核编辑: 智汇张瑜)