伺服驱动技术发展综述

林秋霞

摘要：伺服驱动技术是根据一定的指令信息对驱动元件进行控制，并加以扩充，使机械系统执行部件按指令要求运动的一种控制技术。近年来，随着计算机技术的不断发展和微电子技术的飞速进步，伺服技术越来越成熟，国内的伺服行业也在不断发展。广泛应用于机械包装、数控机床、工业机器人等行业。本文将分析伺服系统的发展，国内外的发展趋势，并展望未来伺服系统的发展趋势。

关键词：伺服技术;伺服系统;应用;发展趋势

一、目前存在的问题和解决办法

1.目前存在的问题

目前，国内伺服驱动系统与国外伺服驱动系统仍存在较大差距，特别是在高速、高刚性、大功率电主轴及驱动装置、高转矩电机及驱动装置、高推力直线电机及驱动装置等方面。目前，数控机床的特点是高速、高精度、高动态、高切削。对定位系统的要求包括：定位速度和轮廓切割进给速度，定位精度和轮廓切割精度，精加工表面粗糙度，外部干扰下的稳定性。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态和动态特性。

基于伺服驱动系统技术的两用化特点，国际竞争的主要手段是技术封锁。在技术密集型的高端伺服驱动市场，国内控制器的规模一直受到压制，导致利润空间被大大压缩。目前，以日本发那科和德国西门子为首的控制器巨头产品垄断市场超过80%。高端产品不仅具有垄断性，而且限制了中国的进口。国内相关产业前景仍不容乐观。

2.拟解决办法

2.1加强伺服驱动系统的科研力度

在伺服驱动系统的研究和开发中，需要建立一个由国家、科研机构、高校实验室和企业合作的多面、多层次、多形式的科学研究形式。一方面，企业需要根据现有的伺服驱动装置控制平台技术和技术成果，进一步研究开发，重点加强产品的生产工艺研究和可靠性设计，优化产品结构。迅速将科研成果转化为实际产品，以满足市场需求的快速增长，进一步迅速拓展国内伺服驱动装置市场。在高端伺服驱动系统的研发中，应重点加强产品的高精度、高动态响应、高刚性、高过载能力，高可靠性方面的研究。为了更好地服务于我国军民工业，对电磁兼容性强等高端伺服驱动产品的研究应努力缩小与国外高端伺服驱动产品的技术差距。另一方面，在国家层面，相关部门应抓住机遇，为中国数控机床行业的重点企业提供相关政策支持，引导、鼓励、督促相关企业加大高新技术产品的研发。在产学研模式组织下，学习并研究创新模式，充分利用新技术领域的一般技术进一步融合集成制造技术，控制技术和计算机技术。依靠技术引进、消化吸收再到自主研发自主创新，打破国际垄断形势，逐步打破技术封锁和遏制，加快技术进步，走出具有中国特色的数控技术道路。

2.2企业自主创新发展核心技术

能掌握独立的伺服驱动和伺服电机技术，它是决定一个数控系统工厂市场竞争力的决定性因素。国外所有成功的数控系统企业都具有自主研发的核心技术以及伺服驱动技术配套能力。这对我国伺服系统的发展无疑具有很好的借鉴意义。由此可见，发展我国自己的伺服驱动技术和产业已迫在眉睫。只要国内的相关企业通过不断深化研究开发，定能取得重大突破，获得自主研究的核心技术，取得更大的国际市场份额。

二、未来发展趋势

1.全数字化

随着科學技术的发展，以模拟电子器件为主的传统的伺服控制单元可以用更先进、更准确、更方便的数字信号处理机和高速微处理器组成的伺服控制单元替代，实现完全数字化的模式，由原有的硬件控制系统转化为软件控制系统，具有更强的数字信号处理能力，从而可以将现代控制系统中的先进算法比如人工智能、模糊控制等应用于伺服系统中。

2.交流化

交流系统相较于直流系统，性能更优越，操作更方便，因此，直流伺服系统也逐渐向交流伺服系统转型。目前，交流伺服系统几乎占据了国际市场，交流伺服电机在发达国家所有产品中所占的份额已经达到80%以上，而在中国，还是以生产直流伺服电机为主，但是交流伺服电机的市场份额正在日渐攀升。可以看出，在不久的将来，除了一些原有的直流伺服电机外，所有的市场都将被交流伺服电机所占据。

3.小型化和微型化

目前，大多数新型的功率半导体器件，如功率场效应晶体管、IGBT和晶体管，都被用于伺服控制系统。通过这些器件的使用，降低了伺服单元输出回路的功耗。提高了系统的反应速度，消除了工作噪声。最新研发出的智能控制模块是将电路控制功能和大功率电子开关元件集中在一个模块中，集中了能耗制动、过温、过压、过流保护、输入隔离和故障诊断等功能。使得伺服单元的设计得以精简，实现小型化和微型化。

4.智能化

如今，人工智能已经广泛应用于各个领域。智能化是工业自动化发展的一个趋势，伺服驱动系统是工业自动化推进过程中的重要系统之一，因此伺服系统的未来发展必然朝着智能化的方向发展。智能化的优点之一是具有强大的参数记忆功能。通过人机对话，系统的运行参数都能保存在伺服单元内部，通过通信接口与计算机连接，可以直接在计算机上设置参数，十分迅速便捷。其次，智能伺服系统具有很强的自诊断和分析能力，能够进行自诊断和故障排除，以及分析和反馈，并及时将具体的故障原因和分析结果反馈给客户，使员工及时准确的维护和监控。此外，一些智能伺服系统还具有参数自整定功能，可在试运行过程中通过必要的闭环调节能力，调整内部参数，优化设备运行，减少人力物力消耗。因此，更先进的面向服务的自我整定功能设计是伺服系统智能化发展的趋势。

5.高抗干扰性

伺服系统应具有两种抗干扰能力，一种是外围设备对伺服系统无干扰;二是伺服系统不受外围设备的干扰。干扰分为传导干扰和辐射干扰。想要解决伺服系统受到干扰的问题，应从干扰源处分析求解。常用的抗干扰方法有：加入超导磁环、隔离、滤波、屏蔽等。一些专家提出了一种消除固定电机干扰脉冲和由于电机轴抖动引起的误差码脉冲的算法。将该算法应用于实际交流伺服控制系统，结果表明，在保证编码器分辨率不变的前提下，系统的检测精度有了很大的提高。

三、结语

总之，伺服系统的发展方向是满足工业应用的要求。伺服控制技术已成为工业自动化的支撑技术之一，将致力于智能化、数字化、网络化、高速、高性能的发展方向，更好地服务于工业自动化的高效生产能力。

参考文献：

[1]彭小武，刘江涛，赖德全.伺服电机的发展及研究综述[J].南方农机，2019，50（12）：129. DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2019.12.107.