现代交流伺服系统技术和市场发展综述

现代交流伺服系统技术和市场发展综述（时光科技有限公司华南办事处刘孙亮）摘要：本文首先从历史的角度介绍了现代交流伺服系统从电机控制的大家族中脱颖而出的过程，并从技术和市场两个方面展示了当今交流伺服系统的发展状况，重点放在国内外市场、技术、产品和厂商竞争策略的对比上，希望给关心中国交流伺服产业成长的人们一个全景式扫描。概述1．历史的角度看电机发展1800年伏特发明电池，是电气出现的开端，电动机的诞生和发展在这之后可以分成几个阶段。从1820年一直到整个19世纪末叶，发现了电磁现象以及相关的各种法则，诞生了交流电机的原型，并确立了电机的工业运用。从20世纪开始一直到1970年代，是电动机的成长和成熟期，有刷直流电机、感应电动机、同步电动机和步进电动机等各种电机相继诞生，半导体驱动技术和电子控制概念引入，带来变频驱动的实用化。从1970年代到20世纪末期，计算技术的飞跃发展为发展高性能驱动带来了机会，随着设计、评价、测量、控制、功率半导体、轴承、磁性材料、绝缘材料、制造加工技术的不断进步，电动机本体经历了轻量化、小型化、高效化、高力矩输出、低噪音振动、高可靠、低成本等一系列变革，相应的驱动和控制装置也更加智能化和程序化。进入21世纪，在以多媒体和互联网为特征的信息时代，电动机和驱动装置继续发挥支撑作用，向节约资源、环境友好、高效节能运行的方向发展。永磁无刷直流电机（BrushlessDCMotor）就是随着永磁材料技术、半导体技术和控制技术的发展而出现的一种新型电机。无刷直流电机诞生于20世纪50年代，并在60年代开始用于宇航事业和军事装备，80年代以后，出现了价格较低的钕铁硼永磁，研发重点逐步推广到工业、民用设备和消费电子产业。本质上，无刷直流电机是根据转子位置反馈信息采用电子换相运行的交流永磁同步电机，与有刷直流电机相比具有一系列优势，近年得到了迅速发展，在许多领域的竞争中不断取代直流电机和异步电动机。进入90年代之后，永磁电机向大功率、高功能和微型化发展，出现了单机容量超过1000KW，最高转速超过300000rpm，最低转速低于0.01rpm，最小体积只有0.8x1.2mm的品种。实际上，永磁无刷直流电机和本文重点论述的永磁交流伺服电机都属于交流永磁同步电机。按照反电动势波形和驱动电流的波形，可以将永磁同步电机分为方波驱动和正弦波驱动型，前者就是我们常说的无刷直流电机，后者又称为永磁同步交流伺服电机，主要用于伺服控制的场合。那么，伺服是什么含义呢？伺服控制的基本性能如何衡量呢？2．交流伺服概念引入、基本性能和控制方法伺服来自英文单词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。本文讨论的重点将放在永磁同步交流伺服系统上。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度或者幅值不小于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。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（SensorlessControl）。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。3．交流伺服在我国的发展历史我国从1970年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和科研单位，以军工、宇航卫星为主要应用方向，不考虑成本因素。主要研究机构是北京机床所、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。80年代之后开始进入工业领域，直到2000年，国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。2000年之后，随着中国变成世界工厂、制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间，国内几家单位开始推出自己品牌的交流伺服产品。目前国内主要的伺服品牌或厂家有森创（和利时电机）、华中数控、广数、南京埃斯顿、兰州电机厂等。其中华中数控、广数等主要集中在数控机床领域。技术状况1．当前国内外交流伺服产品的水平交流伺服系统的相关技术，一直随着用户的需求而不断发展。电动机、驱动、传感和控制技术等关联技术的不断变化、造就了各种各样的配置。就电动机而言，可以采用盘式电机、无铁芯电机、直线电机、外转子电机等，驱动器可以采用各种功率电子元件，传感和反馈装置可以是不同精度、性能的编码器、旋变和霍尔元件甚至是无传感器技术，控制技术从采用单片机开始，一直到采用高性能DSP和各种可编程模块，以及现代控制理论的实用化等等。我们从2005年11月在德国纽伦堡举办的SPS/IPC/Drives展览上可以看到世界范围内电气驱动、运动控制和相关软件的最新情况，其中交流伺服产品的亮点很多，代表了当前的国际水平。这里仅仅摘录几条，相对应的，国内厂商的研发动向也对比进行说明。�贝加莱（B&R）工业自动化公司推出的AcoposMulti驱动系统采用模块化的可扩展结构，每个轴模块可以提供1到2个伺服轴控制，并集成了一个24VDC的辅助电源模块，为驱动器、控制器和外围设备提供了一个到直流总线的链接，来获得开路、短路和过载保护。其他特性包括通过空气，油或水进行冷却的模块化设计，通过一个能量再生系统确保环境的安全性。在国内，我们还没有看到有厂商进行类似的模块式设计，并在产品中融入机器安全概念。�艾尔默（Elmo）公司展出了一系列伺服驱动器与控制器，包括最新的微型数字伺服驱动器Whistle。这些火柴盒大小的驱动器尺寸虽仅为：5x4.6x1.5cm，但却能提供0.5kW的连续功率（或1kW的峰值功率）。为当今市场上最高功率密度与智能的伺服驱动器。相对应的，国内只有和利时电机公司推出了类似的智能数字伺服控制器——蜂鸟系列，该驱动器接受24V～48VDC输入，可以提供250W的连续功率和500W的峰值功率，尺寸为10x8x2cm，功率密度和Whistle相比有差距。但是集成了高性能32位RISC芯片，提供RS232、485串行通讯控制功能和32条运动指令，包括高级的圆弧插补指令，采用14位绝对值磁性编码器。07年预计推出带16位绝对编码器的无刷伺服电机和带CAN通讯的驱动模块。�艾默生控制技术（EmersonControlTechniques）公司展出了Unidrive及其他交、直流驱动器产品。Unidrive驱动器覆盖功率范围从0.55~675kW，变换不同的控制软件可以驱动异步电机、永磁同步伺服电机和无刷直流电机。额定输出功率为0.25~11kW的Varmeca型集成可变速度电机与可变速度驱动器(VSD)，具有闭环矢量与分布式(Proxdrive)两个版本。值得注意的是适合在潜在爆燃性气体中工作的VSD系统(ATEX)。而额定输出功率为0.55~400kW的FLSD驱动器，则据称能在IIB类或IIC区1类2分类气体中工作。相对应的，国内伺服驱动器厂商的产品功率范围多在10KW以下，而且没有特殊防护等级的商品化产品面世，这方面国内外的差距很大，也是未来国内伺服厂商差异化竞争的方向。�RockwellAutomation公司展出了PowerFlex驱动技术。PowerFlex的发展路线图显示，将于2006~07年出现的“公共工业协议(CIP)运动应用协议”，有望无缝同步在同一系统中运行的多轴伺服与变频驱动器中。在适合运动控制的工业协议方面，我们还看到Beckhoff的EtherCAT，B&R的PowerLink,Danaher下面的MEI开发的SynqNet，Siemens的ProfiNet，还有久负盛名的Sercos已经发展到SercosIII。这些通讯协议都为多轴实时同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驱动器集成进去。在国内，甚至CAN这样的中低端总线也没有变成伺服驱动器的标准配置，采用高性能实时现场总线的商品化驱动器还没有出现。这一方面是因为我们的伺服基本性能还没有达到相应的水准，另一方面也是因为市场还没有发育到这个程度。可喜的是，我们已经看到一些单位进行了有益的研发实践，一方面消化国外的先进技术，一方面尝试推出自己的总线标准。和利时电机预计在自己的下一代伺服产品中集成多种可选的通讯模块，其中包括CAN、USB、Fireware和Sercos，还有和利时电机和北航联合开发的CANsmc（用于多轴同步运动控制的总线），基于蓝牙无线通讯的模块也在研发中。中科院沈阳高档数控研发中心等个别单位也研发了自己的运动控制总线协议。�施奈德电气（SchneiderElectric）这次展出的Lexium05型伺服控制器具有和VFD变频器一样外形，目标是低成本应用。实际上，利用变频器的批量生产能力推出低端伺服，已经成为一些厂商的竞争手段。该公司旗下的BergerLahr品牌在其展台上随处可见。其智能、集成电机与控制器产品(Icla)主要有以下三个电机版本：步进电机、交流伺服电机与三相无刷直流电机。Icla（来源于“集成、闭环、执行器”的首字母缩写）将电机、位置控制、功率电子与反馈集成在一个紧凑单元中。这种一体化设计的思路在美国的Animatics等公司身上也体现得很明显，来自德国的AMK公司也有类似的产品。这是真正的机电一体化产品，为设计者带来了一系列的工程挑战，包括电磁兼容、热控制、元器件小型化、特殊的结构设计等。在国内，没有见到有厂商推出自主知识产权的产品。�包米勒（Baumuller）公司提供的带集成行星齿轮传动系的高性能伺服电机，拥有高达98％的效率和很低的噪音；直接驱动型高力矩伺服电机，可以在100～300rpm