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    最近一兩年伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展日新月異，整體應(yīng)用水平顯著提升。在年初中國傳動網(wǎng)舉辦的“2018智能制造&中國運動控制行業(yè)發(fā)展高峰論壇”上，哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊明教授總結(jié)了現(xiàn)階段國內(nèi)伺服驅(qū)動技術(shù)的開發(fā)現(xiàn)狀，并結(jié)合哈工大在伺服領(lǐng)域的研究成果，分析了伺服驅(qū)動技術(shù)未來的重要發(fā)展趨勢。

伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

    就目前伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，從基本性能指標來看，以1馬力（750W）通用伺服系統(tǒng)為例，市場主流產(chǎn)品的最高轉(zhuǎn)速可達6000rpm（額定轉(zhuǎn)速2倍），最大轉(zhuǎn)矩為3.5倍額定轉(zhuǎn)矩，碼盤分辨率：24Bit，定位精度可達1.2納米（導(dǎo)程20mm滾珠絲杠），響應(yīng)速度為速度環(huán)3.1kHz。

    在核心技術(shù)方面，主要是針對控制器的參數(shù)自整定技術(shù)的開發(fā)。參數(shù)自整定性能是衡量高檔伺服系統(tǒng)水平的顯著標志之一。從技術(shù)角度來說，參數(shù)自整定性能的實現(xiàn)主要分為兩種方法，一種方法是基于模型法，即根據(jù)電機本體的模型以及復(fù)雜的模型，可以精確地匹配出參數(shù)；另一種是在線整定伺服系統(tǒng)的參數(shù)；當然，也有把這兩種方式相結(jié)合的方法，我們認為將兩種方式融合是較佳的一種參數(shù)自整定技術(shù)發(fā)展趨勢，目前哈工大也在朝這個方向探索。

    總體來看，伺服驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是：體積減小，質(zhì)量減輕，并提升了最高轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速；提高響應(yīng)性，縮短調(diào)整時間；提高了整定性能，使調(diào)諧趨于簡單便利；提高了擴展性，增加指令形式，擴充匹配的電機種類。

    值得關(guān)注的還有機械諧振抑制技術(shù)和多軸驅(qū)動一體化技術(shù)的發(fā)展。目前一些主流品牌或高檔伺服系統(tǒng)都已具備這種諧振抑制功能，而且均能提供四到五個不同諧振范圍的機械共振抑制波段。而在多軸驅(qū)動一體化技術(shù)的開發(fā)上，這種架構(gòu)極大地降低了系統(tǒng)的體積，并通過共直流母線方式有效地降低了電容容量、提高了整體效率，是現(xiàn)階段許多企業(yè)投入研發(fā)的一個重點。目前市場上眾多驅(qū)控一體化產(chǎn)品主要分為兩類，一類是模塊化拓展型，它有一個直流母線或是能量單位；還有一種就是2、4、8軸一體式專機型。但同時，也有部分產(chǎn)品僅僅只是將多個單軸驅(qū)動器“簡單”地做到一個控制器內(nèi)，內(nèi)部的控制結(jié)構(gòu)幾乎沒有改變，并沒有真正地實現(xiàn)多軸驅(qū)動融合，更多的只是做到了驅(qū)動一體化，而控制器還是需要上位機或運動控制卡來發(fā)出指令。

伺服驅(qū)動技術(shù)未來開發(fā)趨勢

    由于材料的變革，尤其是受主控芯片和功率器件這兩類半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的影響，伺服驅(qū)動技術(shù)將產(chǎn)生顛覆性的創(chuàng)新。總體來看，伺服驅(qū)動技術(shù)的未來開發(fā)趨勢包括以下四個方面。

    首先，在主控芯片的發(fā)展上，市場主流的控制器多采用的是雙核結(jié)構(gòu)（FPGA+ARM），目前在安川SigmaVII系列中已經(jīng)采用了雙核一體式控制器，其將這兩個控制芯片進行了集成，使得保密性更強，布線也更簡單。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，類似智能手機使用的多核驅(qū)控集成式控制器將會出現(xiàn)在市場上，它既能保持FPGA+ARM的運算優(yōu)勢；同時利用內(nèi)部總線，避免了復(fù)雜的外部接線，具有超高的通信速度；有利于多軸運動軌跡控制精度的提高與振動抑制能力的提升。

    隨著多核芯片能力的提升，將伺服驅(qū)動、運動控制一體化集成在底層嵌入式系統(tǒng)當中，可極大地降低系統(tǒng)集成復(fù)雜性、成本與體積；并且由于克服了總線通訊的延時，運動控制整體性能也將得到極大地提升。以工業(yè)機器人使用的電機和伺服性能優(yōu)化為例，在我們目前提出的技術(shù)方案中的一個重點就是要真正做到驅(qū)控一體化，即從傳統(tǒng)的一個示教盒加一個上位機（單核芯片、多控制器分布式結(jié)構(gòu)），過渡到一個示教盒加多軸驅(qū)控一體機（多核芯片、驅(qū)控一體結(jié)構(gòu)），這也是未來的一個重要的研發(fā)方向。

    第二個方向是基于寬禁帶器件的高頻化電機驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)。根據(jù)碳化硅（SiC）器件的市場調(diào)研和預(yù)測顯示，從2015年開始SiC器件的應(yīng)用市場年增長率已到達39%，特別是在AC電機驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用上，從2016年從無到有，SiC器件的使用量急速增長，其在電動車和光伏驅(qū)動領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。

    寬禁帶半導(dǎo)體器件的應(yīng)用令到電力電子系統(tǒng)的性能全面提升，具有高效率、高溫高頻、優(yōu)越的動態(tài)性能、小體積低成本、高功率密度、高穩(wěn)定可靠性等特點。采用基于寬禁帶器件的電機與驅(qū)動器一體化系統(tǒng)，當開關(guān)頻率達到40kHz時，驅(qū)動器所需電容體積為10kHz開關(guān)頻率時的25%。此外，基于寬禁帶器件的高頻化電機驅(qū)動系統(tǒng)的輸出功率900W，效率可達到99%。從高速電機的角度來看，可增加逆變器的開關(guān)頻率，改善控制效果；還可增加離散化頻率，減小離散化誤差。當然，高頻化也會帶來dv/dt和di/dt的問題，一般有幾種解決方案，即增大門級電阻、RC濾波、LC濾波及其他濾波。

    第三個方向是提升伺服系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性和一致性關(guān)鍵技術(shù)。首先要判斷出來影響電機的機理和因素，進行高低溫度循環(huán)、步進振動應(yīng)力和連續(xù)起停試驗，全面激發(fā)伺服系統(tǒng)潛在故障；并采用故障樹分析（FTA）和故障模式影響及危害度分析（FMECA），確定伺服系統(tǒng)關(guān)鍵零部件。之后，就是伺服系統(tǒng)壽命預(yù)測及可靠性增長研究，從理論角度來提升可靠性增長，最后是建設(shè)伺服電機和驅(qū)動器核心功能測試平臺，以及伺服電機和驅(qū)動器加速等效可靠性測試平臺。

    第四個方向是智能化伺服驅(qū)動系統(tǒng)的研究，其中包括：傳動鏈模式識別、參數(shù)免調(diào)試技術(shù)、電機本體/驅(qū)動器/傳動鏈運行狀態(tài)在線監(jiān)控、安全運行能力等。