摘要： 本文首先從歷史的角度介紹了現代交流伺服系統從電機控制的大家族中脫穎而出的過程，并從技術和市場兩個方面展示了當今交流伺服系統的發展狀況，重點放在國內外市場、技術、產品和廠商競爭策略的對比上，希望給關心中國交流伺服產業成長的人們一個全景式掃描。 概述 1． 歷史的角度看電機發展 1800 年伏特發明電池，是電氣出現的開端，電動機的誕生和發展在這之后可以分成幾個階段。從1820 年一直到整個19 世紀末葉，發現了電磁現象以及相關的各種法則，誕生了交流電機的原型，并確立了電機的工業運用。從20 世紀開始一直到1970 年代，是電動機的成長和成熟期，有刷直流電機、感應電動機、同步電動機和步進電動機等各種電機相繼誕生，半導體驅動技術和電子控制概念引入，帶來變頻驅動的實用化。從1970年代到20 世紀末期，計算技術的飛躍發展為發展高性能驅動帶來了機會，隨著設計、評價、測量、控制、功率半導體、軸承、磁性材料、絕緣材料、制造加工技術的不斷進步，電動機本體經歷了輕量化、小型化、高效化、高力矩輸出、低噪音振動、高可靠、低成本等一系列變革，相應的驅動和控制裝置也更加智能化和程序化。進入21 世紀，在以多媒體和互聯網為特征的信息時代，電動機和驅動裝置繼續發揮支撐作用，向節約資源、環境友好、高效節能運行的方向發展。 永磁無刷直流電機（Brushless DC Motor）就是隨著永磁材料技術、半導體技術和控制技術的發展而出現的一種新型電機。無刷直流電機誕生于20 世紀50 年代，并在60 年代開始用于宇航事業和軍事裝備，80 年代以后，出現了價格較低的釹鐵硼永磁，研發重點逐步推廣到工業、民用設備和消費電子產業。本質上，無刷直流電機是根據轉子位置反饋信息采用電子換相運行的交流永磁同步電機，與有刷直流電機相比具有一系列優勢，近年得到了迅速發展，在許多領域的競爭中不斷取代直流電機和異步電動機。進入90 年代之后，永磁電機向大功率、高功能和微型化發展，出現了單機容量超過1000KW，最高轉速超過300000rpm，最低轉速低于0.01rpm，最小體積只有0.8x1.2mm 的品種。 實際上，永磁無刷直流電機和本文重點論述的永磁交流伺服電機都屬于交流永磁同步電機。按照反電動勢波形和驅動電流的波形，可以將永磁同步電機分為方波驅動和正弦波驅動型，前者就是我們常說的無刷直流電機，后者又稱為永磁同步交流伺服電機，主要用于伺服控制的場合。那么，伺服是什么含義呢？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 伺服來自英文單詞Servo，指系統跟隨外部指令進行人們所期望的運動，運動要素包括位置、速度和力矩。伺服系統的發展經歷了從液壓、氣動到電氣的過程，而電氣伺服系統包括伺服電機、反饋裝置和控制器。在20 世紀60 年代，最早是直流電機作為主要執行部件，在70 年代以后，交流伺服電機的性價比不斷提高，逐漸取代直流電機成為伺服系統的主導執行電機。控制器的功能是完成伺服系統的閉環控制，包括力矩、速度和位置等。我們通常說的伺服驅動器已經包括了控制器的基本功能和功率放大部分。雖然采用功率步進電機直接驅動的開環伺服系統曾經在90 年代的所謂經濟型數控領域獲得廣泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。進入21 世紀，交流伺服系統越來越成熟，市場呈現快速多元化發展，國內外眾多品牌進入市場競爭。目前交流伺服技術已成為工業自動化的支撐性技術之一。 在交流伺服系統中，電動機的類型有永磁同步交流伺服電機（PMSM）和感應異步交流伺服電機（IM），其中，永磁同步電機具備十分優良的低速性能、可以實現弱磁高速控制，調速范圍寬廣、動態特性和效率都很高，已經成為伺服系統的主流之選。而異步伺服電機雖然結構堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率場合得到重視。本文討論的重點將放在永磁同步交流伺服系統上。 交流伺服系統的性能指標可以從調速范圍、定位精度、穩速精度、動態響應和運行穩定性等方面來衡量。低檔的伺服系統調速范圍在1：1000 以上，一般的在1：5000～1：10000，高性能的可以達到1：100000 以上；定位精度一般都要達到±1 個脈沖，穩速精度，尤其是低速下的穩速精度比如給定1rpm 時，一般的在±0.1rpm 以內，高性能的可以達到±0.01rpm 以內；動態響應方面，通常衡量的指標是系統最高響應頻率，即給定最高頻率的正弦速度指令，系統輸出速度波形的相位滯后不超過90 度或者幅值不小于50％。進口三菱伺服電機MR－J3 系列的響應頻率高達900Hz，而國內主流產品的頻率在200～500Hz。運行穩定性方面，主要是指系統在電壓波動、負載波動、電機參數變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾、以及其他特殊運行條件下，維持穩定運行并保證一定的性能指標的能力。這方面國產產品、包括部分臺灣產品和世界先進水平相比差距較大。 在控制策略上，基于電機穩態數學模型的電壓頻率控制方法和開環磁通軌跡控制方法都難以達到良好的伺服特性，目前普遍應用的是基于永磁電機動態解耦數學模型的矢量控制方法，這是現代伺服系統的核心控制方法。雖然人們為了進一步提高控制特性和穩定性，提出了反饋線性化控制、滑模變結構控制、自適應控制等理論，還有不依賴數學模型的模糊控制和神經元網絡控制方法，但是大多在矢量控制的基礎上附加應用這些控制方法。還有，高性能伺服控制必須依賴高精度的轉子位置反饋，人們一直希望取消這個環節，發展了無位置傳感器技術（Sensorless Control）。至今，在商品化的產品中，采用無位置傳感器技術只能達到大約1：100 的調速比，可以用在一些低檔的對位置和速度精度要求不高的伺服控制場合中，比如單純追求快速起停和制動的縫紉機伺服控制，這個技術的高性能化還有很長的路要走。 3． 交流伺服在我國的發展歷史 我國從1970 年代開始跟蹤開發交流伺服技術，主要研究力量集中在高等院校和科研單位，以軍工、宇航衛星為主要應用方向，不考慮成本因素。主要研究機構是北京機床所、西安微電機研究所、中科院沈陽自動化所等。80 年代之后開始進入工業領域，直到2000年，國產伺服停留在小批量、高價格、應用面狹窄的狀態，技術水平和可靠性難以滿足工業需要。2000 年之后，隨著中國變成世界工廠、制造業的快速發展為交流伺服提供了越來越大的市場空間，國內幾家單位開始推出自己品牌的交流伺服產品。目前國內主要的伺服品牌或廠家有森創（和利時電機）、華中數控、廣數、南京埃斯頓、蘭州電機廠等。其中華中數控、廣數等主要集中在數控機床領域。 技術狀況 1． 當前國內外交流伺服產品的水平 交流伺服系統的相關技術，一直隨著用戶的需求而不斷發展。電動機、驅動、傳感和控制技術等關聯技術的不斷變化、造就了各種各樣的配置。就電動機而言，可以采用盤式電機、無鐵芯電機、直線電機、外轉子電機等，驅動器可以采用各種功率電子元件，傳感和反饋裝置可以是不同精度、性能的編碼器、旋變和霍爾元件甚至是無傳感器技術，控制技術從采用單片機開始，一直到采用高性能DSP 和各種可編程模塊，以及現代控制理論的實用化等等。我們從2005 年11 月在德國紐倫堡舉辦的SPS/IPC/Drives 展覽上可以看到世界范圍內電氣驅動、運動控制和相關軟件的最新情況，其中交流伺服產品的亮點很多，代表了當前的國際水平。這里僅僅摘錄幾條，相對應的，國內廠商的研發動向也對比進行說明。 􀂋 貝加萊（B&R）工業自動化公司推出的AcoposMulti 驅動系統采用模塊化的可擴展結構，每個軸模塊可以提供1 到2 個伺服軸控制，并集成了一個24VDC 的輔助電源模塊，為驅動器、控制器和外圍設備提供了一個到直流總線的鏈接，來獲得開路、短路和過載保護。其他特性包括通過空氣，油或水進行冷卻的模塊化設計，通過一個能量再生系統確保環境的安全性。在國內，我們還沒有看到有廠商進行類似的模塊式設計，并在產品中融入機器安全概念。 􀂋 艾爾默（Elmo）公司展出了一系列伺服驅動器與控制器，包括最新的微型數字伺服驅動器Whistle。這些火柴盒大小的驅動器尺寸雖僅為：5 x 4.6 x 1.5cm，但卻能提供0.5 kW 的連續功率（或1kW 的峰值功率）。為當今市場上最高功率密度與智能的伺服驅動器。相對應的，國內只有和利時電機公司推出了類似的智能數字伺服控制器——蜂鳥系列，該驅動器接受24V～48VDC 輸入，可以提供250W 的連續功率和500W 的峰值功率，尺寸為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 串行通訊控制功能和32 條運動指令，包括高級的圓弧插補指令，采用14 位絕對值磁性編碼器。07 年預計推出帶16 位絕對編碼器的無刷伺服電機和帶CAN 通訊的驅動模塊。 􀂋 艾默生控制技術（Emerson Control Techniques）公司展出了Unidrive 及其他交、直流驅動器產品。Unidrive 驅動器覆蓋功率范圍從0.55～675 kW，變換不同的控制軟件可以驅動異步電機、永磁同步伺服電機和無刷直流電機。額定輸出功率為0.25～11 kW 的Varmeca 型集成可變速度電機與可變速度驅動器 （VSD），具有閉環矢量與分布式 （Proxdrive） 兩個版本。值得注意的是適合在潛在爆燃性氣體中工作的VSD 系統 （ATEX）。而額定輸出功率為 0.55～400 kW 的FLSD 驅動器，則據稱能在IIB 類或IIC 區1 類2 分類氣體中工作。相對應的，國內伺服驅動器廠商的產品功率范圍多在10KW 以下，而且沒有特殊防護等級的商品化產品面世，這方面國內外的差距很大，也是未來國內伺服廠商差異化競爭的方向。 􀂋 Rockwell Automation 公司展出了PowerFlex 驅動技術。PowerFlex 的發展路線圖顯示，將于2006～07 年出現的“公共工業協議 （CIP） 運動應用協議”，有望無縫同步在同一系統中運行的多軸伺服與變頻驅動器中。在適合運動控制的工業協議方面，我們還看到Beckhoff 的EtherCAT，B&R 的PowerLink, Danaher 下面的MEI開發的SynqNet，Siemens 的ProfiNet，還有久負盛名的Sercos 已經發展到SercosIII。這些通訊協議都為多軸實時同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驅動器集成進去。在國內，甚至CAN 這樣的中低端總線也沒有變成伺服驅動器的標準配置，采用高性能實時現場總線的商品化驅動器還沒有出現。這一方面是因為我們的伺服基本性能還沒有達到相應的水準，另一方面也是因為市場還沒有發育到這個程度。可喜的是，我們已經看到一些單位進行了有益的研發實踐，一方面消化國外的先進技術，一方面嘗試推出自己的總線標準。和利時電機預計在自己的下一代伺服產品中集成多種可選的通訊模塊，其中包括CAN、USB、Fireware 和Sercos，還有和利時電機和北航聯合開發的CANsmc（用于多軸同步運動控制的總線），基于藍牙無線通訊的模塊也在研發中。中科院沈陽高檔數控研發中心等個別單位也研發了自己的運動控制總線協議。 􀂋 施奈德電氣（Schneider Electric）這次展出的Lexium 05 型伺服控制器具有和VFD變頻器一樣外形，目標是低成本應用。實際上，利用變頻器的批量生產能力推出低端伺服，已經成為一些廠商的競爭手段。該公司旗下的Berger Lahr 品牌在其展臺上隨處可見。其智能、集成電機與控制器產品 （Icla） 主要有以下三個電機版本：步進電機、交流伺服電機與三相無刷直流電機。Icla（來源于“集成、閉環、執行器”的首字母縮寫）將電機、位置控制、功率電子與反饋集成在一個緊湊單元中。這種一體化設計的思路在美國的Animatics 等公司身上也體現得很明顯，來自德國的AMK 公司也有類似的產品。這是真正的機電一體化產品，為設計者帶來了一系列的工程挑戰，包括電磁兼容、熱控制、元器件小型化、特殊的結構設計等。在國內，沒有見到有廠商推出自主知識產權的產品。 􀂋 包米勒（Baumuller）公司提供的帶集成行星齒輪傳動系的高性能伺服電機，擁有高達98％的效率和很低的噪音；直接驅動型高力矩伺服電機，可以在100～300rpm范圍內輸出13500Nm。在國內，我們看到和利時電機公司在其海豚系列低壓無刷伺服電機系列中提供了類似的帶集成行星齒輪減速器的產品，深圳步進也宣稱可以提供帶減速器的步進化伺服電機。在直接驅動力矩電機市場，成都精密電機廠可以提供定制化的電機組件，但是需要客戶另外加裝反饋裝置和第三方驅動器。 􀂋 安川電機歐洲公司（Yaskawa Electric Europe，YEE）展出了其廣受歡迎的通用Sigma II 型伺服電機。YEE 的其他進展包括正在開發中的額定功率0.5～5 kW 防爆及遵循ATEX 標準的交流伺服電機。安川公司的另一項開發成果是輸出功率高達500 kW 的高功率伺服電機。該項目的商品化預計將于2007 年完成。從中我們可以看到國際大廠向專用化、大型化伺服發展的動向。 2． 技術發展方向 現代交流伺服系統，經歷了從模擬到數字化的轉變，數字控制環已經無處不在，比如換相、電流、速度和位置控制；采用新型功率半導體器件、高性能DSP 加FPGA、以及伺服專用模塊（比如IR 推出的伺服控制專用引擎）也不足為奇。國際廠商伺服產品每5 年就會換代，新的功率器件或模塊每2～2.5 年就會更新一次，新的軟件算法則日新月異，總之產品生命周期越來越短。總結國內外伺服廠家的技術路線和產品路線，結合市場需求的變化，可以看到以下一些最新發展趨勢。 i. 高效率化 盡管這方面的工作早就在進行，但是仍需要繼續加強。主要包括電機本身的高效率比如永磁材料性能的改進和更好的磁鐵安裝結構設計，也包括驅動系統的高效率化，包括逆變器驅動電路的優化，加減速運動的優化，再生制動和能量反饋以及更好的冷卻方式等。 ii. 直接驅動 直接驅動包括采用盤式電機的轉臺伺服驅動和采用直線電機的線性伺服驅動，由于消除了中間傳遞誤差，從而實現了高速化和高定位精度。直線電機容易改變形狀的特點可以使采用線性直線機構的各種裝置實現小型化和輕量化。 iii. 高速、高精、高性能化 采用更高精度的編碼器（每轉百萬脈沖級），更高采樣精度和數據位數、速度更快的DSP，無齒槽效應的高性能旋轉電機、直線電機，以及應用自適應、人工智能等各種現代控制策略，不斷將伺服系統的指標提高。 iv. 一體化和集成化 電動機、反饋、控制、驅動、通訊的縱向一體化成為當前小功率伺服系統的一個發展方向。有時我們稱這種集成了驅動和通訊的電機叫智能化電機（Smart Motor），有時我們把集成了運動控制和通訊的驅動器叫智能化伺服驅動器。電機、驅動和控制的集成使三者從設計、制造到運行、維護都更緊密地融為一體。但是這種方式面臨更大的技術挑戰（如可靠性）和工程師使用習慣的挑戰，因此很難成為主流，在整個伺服市場中是一個很小的有特色的部分。 v. 通用化 通用型驅動器配置有大量的參數和豐富的菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下,方便地設置成V/F 控制、無速度傳感器開環矢量控制、閉環磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動機控制及再生單元等五種工作方式，適用于各種場合，可以驅動不同類型的電機，比如異步電機、永磁同步電機、無刷直流電機、步進電機，也可以適應不同的傳感器類型甚至無位置傳感器。可以使用電機本身配置的反饋構成半閉環控制系統，也可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成高精度全閉環控制系統。 vi. 智能化 現代交流伺服驅動器都具備參數記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數進口驅動器都具備負載慣量測定和自動增益調整功能，有的可以自動辨識電機的參數，自動測定編碼器零位，有些則能自動進行振動抑止。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補運動等控制功能和驅動結合在一起，對于伺服用戶來說，則提供了更好的體驗。 vii. 網絡化和模塊化 將現場總線和工業以太網技術、甚至無線網絡技術集成到伺服驅動器當中，已經成為歐洲和美國廠商的常用做法。現代工業局域網發展的重要方向和各種總線標準競爭的焦點就是如何適應高性能運動控制對數據傳輸實時性、可靠性、同步性的要求。隨著國內對大規模分布式控制裝置的需求上升，高檔數控系統的開發成功，網絡化數字伺服的開發已經成為當務之急。模塊化不僅指伺服驅動模塊、電源模塊、再生制動模塊、通訊模塊之間的組合方式，而且指伺服驅動器內部軟件和硬件的模塊化和可重用。 viii. 從故障診斷到預測性維護 隨著機器安全標準的不斷發展，傳統的故障診斷和保護技術（問題發生的時候判斷原因并采取措施避免故障擴大化）已經落伍，最新的產品嵌入了預測性維護技術，使得人們可以通過Internet 及時了解重要技術參數的動態趨勢，并采取預防性措施。比如：關注電流的升高，負載變化時評估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度升高時監視溫度傳感器，以及對電流波形發生的任何畸變保持警惕。 ix. 專用化和多樣化 雖然市場上存在通用化的伺服產品系列，但是為某種特定應用場合專門設計制造的伺服系統比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形狀、不同表面粘接結構（SPM）和嵌入式永磁（IPM）轉子結構的電機出現，分割式鐵芯結構工藝在日本的使用使永磁無刷伺服電機的生產實現了高效率、大批量和自動化，并引起國內廠家的研究。 x. 小型化和大型化 無論是永磁無刷伺服電機還是步進電機都積極向更小的尺寸發展，比如20，28，35mm 外徑；同時也在發展更大功率和尺寸的機種，已經看到500KW 永磁伺服電機的出現。體現了向兩極化發展的傾向。 xi. 其他動向 發熱抑制、靜音化、清潔技術等。