伺服驅動技術發展綜述

林秋霞

摘要：伺服驅動技術是根據一定的指令信息對驅動元件進行控制，并加以擴充，使機械系統執行部件按指令要求運動的一種控制技術。近年來，隨著計算機技術的不斷發展和微電子技術的飛速進步，伺服技術越來越成熟，國內的伺服行業也在不斷發展。廣泛應用于機械包裝、數控機床、工業機器人等行業。本文將分析伺服系統的發展，國內外的發展趨勢，并展望未來伺服系統的發展趨勢。

關鍵詞：伺服技術;伺服系統;應用;發展趨勢

一、目前存在的問題和解決辦法

1.目前存在的問題

目前，國內伺服驅動系統與國外伺服驅動系統仍存在較大差距，特別是在高速、高剛性、大功率電主軸及驅動裝置、高轉矩電機及驅動裝置、高推力直線電機及驅動裝置等方面。目前，數控機床的特點是高速、高精度、高動態、高切削。對定位系統的要求包括：定位速度和輪廓切割進給速度，定位精度和輪廓切割精度，精加工表面粗糙度，外部干擾下的穩定性。這些要求的滿足主要取決于伺服系統的靜態和動態特性。

基于伺服驅動系統技術的兩用化特點，國際競爭的主要手段是技術封鎖。在技術密集型的高端伺服驅動市場，國內控制器的規模一直受到壓制，導致利潤空間被大大壓縮。目前，以日本發那科和德國西門子為首的控制器巨頭產品壟斷市場超過80%。高端產品不僅具有壟斷性，而且限制了中國的進口。國內相關產業前景仍不容樂觀。

2.擬解決辦法

2.1加強伺服驅動系統的科研力度

在伺服驅動系統的研究和開發中，需要建立一個由國家、科研機構、高校實驗室和企業合作的多面、多層次、多形式的科學研究形式。一方面，企業需要根據現有的伺服驅動裝置控制平臺技術和技術成果，進一步研究開發，重點加強產品的生產工藝研究和可靠性設計，優化產品結構。迅速將科研成果轉化為實際產品，以滿足市場需求的快速增長，進一步迅速拓展國內伺服驅動裝置市場。在高端伺服驅動系統的研發中，應重點加強產品的高精度、高動態響應、高剛性、高過載能力，高可靠性方面的研究。為了更好地服務于我國軍民工業，對電磁兼容性強等高端伺服驅動產品的研究應努力縮小與國外高端伺服驅動產品的技術差距。另一方面，在國家層面，相關部門應抓住機遇，為中國數控機床行業的重點企業提供相關政策支持，引導、鼓勵、督促相關企業加大高新技術產品的研發。在產學研模式組織下，學習并研究創新模式，充分利用新技術領域的一般技術進一步融合集成制造技術，控制技術和計算機技術。依靠技術引進、消化吸收再到自主研發自主創新，打破國際壟斷形勢，逐步打破技術封鎖和遏制，加快技術進步，走出具有中國特色的數控技術道路。

2.2企業自主創新發展核心技術

能掌握獨立的伺服驅動和伺服電機技術，它是決定一個數控系統工廠市場競爭力的決定性因素。國外所有成功的數控系統企業都具有自主研發的核心技術以及伺服驅動技術配套能力。這對我國伺服系統的發展無疑具有很好的借鑒意義。由此可見，發展我國自己的伺服驅動技術和產業已迫在眉睫。只要國內的相關企業通過不斷深化研究開發，定能取得重大突破，獲得自主研究的核心技術，取得更大的國際市場份額。

二、未來發展趨勢

1.全數字化

隨著科學技術的發展，以模擬電子器件為主的傳統的伺服控制單元可以用更先進、更準確、更方便的數字信號處理機和高速微處理器組成的伺服控制單元替代，實現完全數字化的模式，由原有的硬件控制系統轉化為軟件控制系統，具有更強的數字信號處理能力，從而可以將現代控制系統中的先進算法比如人工智能、模糊控制等應用于伺服系統中。

2.交流化

交流系統相較于直流系統，性能更優越，操作更方便，因此，直流伺服系統也逐漸向交流伺服系統轉型。目前，交流伺服系統幾乎占據了國際市場，交流伺服電機在發達國家所有產品中所占的份額已經達到80%以上，而在中國，還是以生產直流伺服電機為主，但是交流伺服電機的市場份額正在日漸攀升。可以看出，在不久的將來，除了一些原有的直流伺服電機外，所有的市場都將被交流伺服電機所占據。

3.小型化和微型化

目前，大多數新型的功率半導體器件，如功率場效應晶體管、IGBT和晶體管，都被用于伺服控制系統。通過這些器件的使用，降低了伺服單元輸出回路的功耗。提高了系統的反應速度，消除了工作噪聲。最新研發出的智能控制模塊是將電路控制功能和大功率電子開關元件集中在一個模塊中，集中了能耗制動、過溫、過壓、過流保護、輸入隔離和故障診斷等功能。使得伺服單元的設計得以精簡，實現小型化和微型化。

4.智能化

如今，人工智能已經廣泛應用于各個領域。智能化是工業自動化發展的一個趨勢，伺服驅動系統是工業自動化推進過程中的重要系統之一，因此伺服系統的未來發展必然朝著智能化的方向發展。智能化的優點之一是具有強大的參數記憶功能。通過人機對話，系統的運行參數都能保存在伺服單元內部，通過通信接口與計算機連接，可以直接在計算機上設置參數，十分迅速便捷。其次，智能伺服系統具有很強的自診斷和分析能力，能夠進行自診斷和故障排除，以及分析和反饋，并及時將具體的故障原因和分析結果反饋給客戶，使員工及時準確的維護和監控。此外，一些智能伺服系統還具有參數自整定功能，可在試運行過程中通過必要的閉環調節能力，調整內部參數，優化設備運行，減少人力物力消耗。因此，更先進的面向服務的自我整定功能設計是伺服系統智能化發展的趨勢。

5.高抗干擾性

伺服系統應具有兩種抗干擾能力，一種是外圍設備對伺服系統無干擾;二是伺服系統不受外圍設備的干擾。干擾分為傳導干擾和輻射干擾。想要解決伺服系統受到干擾的問題，應從干擾源處分析求解。常用的抗干擾方法有：加入超導磁環、隔離、濾波、屏蔽等。一些專家提出了一種消除固定電機干擾脈沖和由于電機軸抖動引起的誤差碼脈沖的算法。將該算法應用于實際交流伺服控制系統，結果表明，在保證編碼器分辨率不變的前提下，系統的檢測精度有了很大的提高。

三、結語

總之，伺服系統的發展方向是滿足工業應用的要求。伺服控制技術已成為工業自動化的支撐技術之一，將致力于智能化、數字化、網絡化、高速、高性能的發展方向，更好地服務于工業自動化的高效生產能力。

參考文獻：

[1]彭小武，劉江濤，賴德全.伺服電機的發展及研究綜述[J].南方農機，2019，50（12）：129. DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2019.12.107.