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    在“2019智能制造&中國運動控制行業發展高峰論壇”上，哈爾濱工業大學電氣學院副院長楊明教授對目前國內伺服系統驅動技術的發展現狀和未來研究方向做了詳細的介紹，本文整理自他的現場發言錄音。

    根據運動控制的分類，可以把伺服系統大致分為三個層次：第一層：上位機-運動控制，包括PLC；底層是伺服驅動器，以及真正的執行機構伺服電機。典型的伺服系統控制結構是上位控制器和伺服驅動器基于脈沖指令和總線通訊的方式。近年來，出現了新型模式，即上位機運動控制保持不變，把伺服驅動器和伺服電機做一體化集成，稱之為ALLinONE，這樣電機與驅動器的線纜就得到了極大的節約；與之對應的是，伺服電機保持不變，運動控制和伺服驅動做一體化的集成。

    這兩種機構的區別之處在于，傳統模式由于空間相對分散，上層中央控制器和底層執行機構相對物理空間比較遠，而采用ALLinONE方式可以控制幾十臺上百臺設備，使用非常方便；另外，驅控一體化技術主要應用在對物理空間要求較高的場合，如工業機器人或其他種類機器人等，采用驅控一體方式非常有優勢。

驅控一體化趨勢

    驅控一體化是把控制器和驅動器集成在一起，其優勢包括：體積小、重量輕、部署靈活、低成本，高可靠性，高性能處理能夠完成復雜的機器人算法，通過共享內存傳輸更多控制、狀態信息，通信速度高達100M/s；但它的不足之處在于高集成度開發難度較大，以及高集成度系統擴展性欠缺，例如機床八軸以內成本的優勢比較明顯，但擴展到幾十軸時優勢則并不顯著，因此適合用于物理空間集成度相對較高的場合。

    目前國內外廠商都已推出了相應的驅控一體化產品（如：固高拿云、眾為興、臺達、KUKA等等），大部分廠商驅控一體化集成技術采用的是分布式多CPU控制器方式，做到一個控制板，彼此之間有物理連接的接口。隨著芯片技術的發展，分布式CPU方式將朝著整體SoC芯片方案的方向發展。例如，賽靈思Zynq™-7000是一款高性能SoC（SystemonChip）芯片，其中FPGA核心部分完成多軸電機驅動，帶寬高、響應快；ARM核進行高級算法的實現和各類通訊及數據交互，上位機軌跡規劃等功能。

    2018年哈工大開發出了小批量驅控一體化樣機，一個芯片可以獨立控制4-6軸，從標準測試報告來看，基于工業以太網，無論四軸和六軸，所有的信息和控制器全部都可以共聯，沒有傳輸延時，也沒有通訊協議的局限。并且在四軸的開發基礎上，我們統計了一下利用率，ARM0實現四軸速度環位置環控制，主中斷時間占比1%，FPGA實現四軸并行式硬件電流環，資源占比60%，沒有采用流水線結構。

微小型高功率密度驅動器研究

    在這一領域基本完全依賴進口，特別是以色列的ELMO公司；目前，國內對高頻化電機驅動系統的研究正處于起步階段，哈工大正在積極立項成為國家重大項目，進行重點攻關。

    微小型高功率密度驅動技術有賴于新一代半導體器件上的突破，目前主要是碳化硅和氮化鎵，碳化硅適合耐高壓，氮化鎵適合于高頻，特別是200V的應用實現高頻特性。例如效率可以得到明顯的提升，如果用軟開關技術，開關損耗得到降低達到99%是完全有可能的，在高速電機的驅動上，載波比調至頻率達到200K，電機效率得以提高，控制難度得到極大的降低。

    安川公司在2017年首次推出了GaN功率半導體的驅動器內置型伺服電機商用產品，實現了高效率化、伺服系統小型化、靜音化、節能化、省配線等特點。

    微小型高功率密度驅動技術的難點在于：dv/dt和di/dt問題，電磁兼容性顯得非常重要，主要會影響到板間的布線，以及對寄生參數的影響；其次是控制器的驅動能力問題，包括DSP控制器串行處理數據以及FPGA控制器并行處理數據。

    2018年，我們和美的的聯合實驗室推出了三款基于氮化鎵的壓縮機，選用的芯片架構一致，我們主要負責伺服部分的開發，美的則負責壓縮機部分，從中我們總結出很多布線和器件選擇上的經驗，并且在第三款壓縮機中，dv/dt問題得到了很好的解決，電機的效率有所提升。

    綜上所述，傳統的運動控制器、伺服驅動器、伺服電機三者將兩兩組合，構成驅控一體化集成技術，以及電機ALLinONE集成方式，特別針對寬禁帶器件，電機本身是熱源，放到一起不允許有風扇，要解決耐熱問題，碳化硅是一個比較好的選擇，寬禁帶器件具有廣闊的應用前景。

伺服驅動和電機評測中心

    加強伺服驅動及電機測試技術的研究和檢測平臺的建設尤為重要，有利于實現集成評測，提供獨立、公正、客觀、科學、準確的測試數據。

    這里主要說一下目前頒布的22項伺服驅動電機行業測試標準，其中伺服驅動單元性能測試四項，包括總則和其他的基本性能測試，還有三項是：三環帶寬的測試標準，參數測準定的標準，自動抑制的標準；以及主軸電機、直線電機、伺服電動機等有22項標準。

    哈工大伺服驅動和電機評測中心于12月25日正式通過驗收，其中包括25個測試平臺，伺服有8臺，主軸電機3臺。我們的直線電機測試平臺針對直線電機速度的不同，設置了兩種加載形式，一種是直線運動變成旋轉運動，在低速的時候加載，高速的時候采用首創的直線電磁組的形式加載。

    另外，力矩電機測試平臺主要的創新點是有效地將電機轉速和轉距實現了耦合，采用平衡式轉矩波動測量方法，克服了對拖方式帶來的波動轉矩耦合問題，并采用不同的傳感器，特別是小量程傳感器準確地測出電機的轉矩波動，可以極大地提高測試精度。高速主軸電機的測試平臺實現了非接觸式加載，傳統機械式加載的時候，如果有安裝問題，會造成軸芯的損壞，我們采用非接觸式方式可以大幅提升測試性能。

    還有我們的伺服驅動器和通用伺服驅動測試平臺，從250kW、50kW、15kW、5kW，包括伺服系統傳動間隙抑制技術測試平臺、伺服系統機械諧振抑制技術測試平臺、伺服系統定位末端抖振抑制技術測試平臺等。2018年我們跟廣東數控建立了實驗室，協助他們提升了伺服系統的性能，使得數控機床加工精度及效率得以提高，增強了產品競爭力，客戶滿意度也大幅提高，產品銷量逐年提高。

    我們的評測中心的工作不僅僅是做檢測，我們希望通過這個檢測過程，可以幫助廠商發現技術或產品方面的問題，并提出解決方案，這才是我們要發揮的作用。評測中心未來兩年工作的重點會放在維護前期的測試基礎上，特別是在伺服基礎可靠性與一致性的測試標準和測試平臺建設上積極地開展工作。另外，有關工業機器人用的伺服系統和性能測試和平臺，我們也正在積極地搭建中，希望為國產伺服驅動器進一步的發展和提升提供支持和幫助。