交流伺服系统发展现状及其趋势运动控制系统作为电气自动化的一个重要的应用领域，已经被广泛应用于国民经济各个部门。

运动控制系统主要研究电动机拖动及机械设备的位移控制问题。

交流伺服系统是运动控制系统所研究的重要的一部分，而纵观电力拖动的发展过程，交、直流两种拖动方式并存与各个生产领域，随着工业技术的发展，两者相互竞争，相互促进。

1990年以前，由于技术成本等原因，国内伺服电机以直流永磁有刷电机和步进电机为主，而且主要集中在机床和国防军工行业。

1990年以后，进口永磁交流伺服电机系统逐步进入中国，此期间得益于稀土永磁材料的发展、电力电子及微电子技术日新月异的进步，交流伺服电机的驱动技术也得以很快发展。

如今约占整个电力拖动容量80%的不变速拖动系统都采用交流电动机，而只占20%的高精度、宽广调速范围的拖动系统采用直流电动机。

自20世纪80年代以来，随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术等支撑技术的快速发展，交流伺服控制技术的发展得以极大的迈进，使得先前困扰着交流伺服系统的电机控制复杂、调速性能差等问题取得了突破性的进展，交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。

一、交流伺服系统的概述伺服来自英文单词Servo，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。

二、交流伺服系统的分类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，又可分为三种: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(无刷直流机)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。

所谓数字控制是指系统的主要部分由数字运算元件构成，数字控制可分二类:一类为硬件方式，即数字元件的工作不用软件而仅用硬件。

它包括数字电路硬件控制、专用集成电路(asic)和超大规模集成电路硬件控制;另一类为软件方式，即数字元件通过软件进行工作。

三、交流伺服系统的性能指标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°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。

伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分。

随着国内交流伺服用电机等硬件技术逐步成熟，以软形式存在于控制芯片中的伺服控制技术成为制约我国高性能交流伺服技术及产品发展的瓶颈。

研究具有自主知识产权的高性能交流伺服控制技术，尤其是最具应用前景的永磁同步电动机伺服控制技术，是非常必要的。

四、交流伺服系统的控制方法在控制策略上，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。

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。

交流伺服系统的控制单元是整个交流伺服系统的核心, 实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。

数字信号处理器(DSP)被广泛应用于交流伺服系统, 各大公司推出的面向电机控制的专用DSP芯片, 除具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。

五、伺服系统在行业中的应用现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。

逐渐进入到工业领域和民用领域。

工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械，比如纺织机械、印刷机械、包装机械、医疗设备、半导体设备、邮政机械、冶金机械、自动化流水线、各种专用设备等。

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30000rpm～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。

六、交流伺服系统的发展方向现代交流伺服系统，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(比如IR推出的伺服控制专用引擎)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。

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，可以看到以下一些最新发展趋势。

其一，服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性及时变性的“系统”，同时伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时受到不同程度的干扰，因此按常规控制策略很难满足高性能伺服系统的控制要求。

为此，如何结合控制理论新的发展，引进一些先进的“复合型控制策略”以改进“控制器”性能是当前发展高性能交流伺服系统的一个主要“突破口”。

其二，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(Smart Motor)，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的有特色的部分。

其三，实现其通用化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。

其四，实现其网络化和模块化，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（问题发生的时候判断原因并采取措施避免故障扩大化）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Internet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。

综上所述，随着微电子、计算机、电力半导体和电机制造技术取得巨大技术进步，永磁交流伺服系统也将具有更加美好的发展前景。