伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及前景分析

伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型繁多，就從自動控制理論的角度來進行分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)等五部分。

1、控制器

控制器通常是PID控制電路或計算機， 控制器主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，用來控制執(zhí)行元件按要求動作。

2、被控對象

被控對象多指一些機械參數(shù)量，例如：位移、加速度、力、速度和力矩等。

3、執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的規(guī)則，將輸入的各形式能量轉(zhuǎn)化成機械能，驅(qū)動被控對象工作。

4、檢測環(huán)節(jié)

檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要量綱的裝置，一般包括傳感器（編碼器）和轉(zhuǎn)換電路。

5、比較環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入之間的偏差信號。 這個環(huán)節(jié)通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。

伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀

1、伺服驅(qū)動產(chǎn)品

1.1伺服電機

按容量將其分為大容量、中容量、小容量、超小容量（MINI型）四種類型。 其中，功率在22―55KW之間為大容量型，功率在300W―15KW之間為中容量型，功率在30―750W之間為小容量型，功率在10―20W之間為超小容量型。

1.2編碼器

現(xiàn)在以信號線數(shù)量是5根的新型的位置編碼器居多，分為絕對值型和增量型兩種，具有62.5μs的通信周期，12位的數(shù)據(jù)長度，4 M/s的通信速率，高達20 bit/rev編碼器分辨率，也就是說每轉(zhuǎn)生成100萬個脈沖，有高達6000 r/min的轉(zhuǎn)速，且僅用16μA電流。

除了光電編碼器之外，磁編碼器值得關(guān)注。 磁編碼器的重量和體積都比光電編碼器小幾十倍，溫度范圍更寬，幾乎不怕沖擊和振動。 其工作原理非常簡單，磁編碼器的定子是一顆內(nèi)嵌霍爾磁敏元件和DSP的芯片，體積可以小到MSOP-24封裝，它的轉(zhuǎn)子是一顆兩極磁鋼。 它的分辨率是16位，精度是12位。

1.3伺服控制單元

伺服控制單元也叫伺服控制器或是伺服驅(qū)動器。雖有較低成本、較快的相應速度、連續(xù)性較好的特點，但傳統(tǒng)模擬控制會因為溫度升高發(fā)生漂移，調(diào)試系統(tǒng)不易掌握，柔性化設計實現(xiàn)難，無法完成復雜的計算，對現(xiàn)代控制理論指導下的控制算法無法實現(xiàn)等。

1.4上位控制

從上面的CNC控制器、運動控制器及可編程控制器（PLC），能連接到底端的CNC控制器、通用輸入/輸出（I/O）控制單元。可控制單軸，在高達44軸的模式下也可控制，從模擬到網(wǎng)絡不同類型的信號可通過控制器進行連接。

2、比較直流與交流伺服系統(tǒng)

液壓的伺服系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為電氣伺服系統(tǒng)，存在直流（DC）和交流（AC）兩種類型之分。

直流伺服電機流行于20世紀70年代，但在70年代末至80年代初，其逐漸被交流伺服驅(qū)動技術(shù)取代，且當時工業(yè)領域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎技術(shù)就包括交流伺服驅(qū)動技術(shù)。

由于電機本身有一定缺陷，所以直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展受到了影響。因直流伺服電機結(jié)構(gòu)復雜、轉(zhuǎn)子在運行過程中溫度逐漸升高，使其無法精準確地連接其他機械設備，而且在大容量和高速的情況很難派上用場。因此，直流伺服驅(qū)動技術(shù)機械轉(zhuǎn)向器的發(fā)展瓶頸就產(chǎn)生了。

負荷特性和低慣性是交流伺服電機兩大特點。這個就體現(xiàn)了交流伺服電機的比較優(yōu)勢。因為直流伺服電機換向器、電刷等部件所造成的各種問題在交流伺服電機中都被避免了，因此，包括工廠自動化（FA）在內(nèi)的許多領域都廣泛使用交流伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)發(fā)展前景向好

2012年國內(nèi)伺服電機生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)量約172萬臺，國內(nèi)需求市場規(guī)模達到了385萬臺。國內(nèi)伺服電機銷售規(guī)模達到60.39億元；2013年我國伺服電機生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)量約206萬臺，需求量約444萬臺。國內(nèi)伺服電機銷售規(guī)模達到55.87億元；2014年，受益于機器人、物料搬運設備、木工機械等OEM行業(yè)升溫持續(xù)，伺服市場增速大幅回升。我國伺服電機產(chǎn)銷量分別為255萬臺和535萬臺，市場規(guī)模約61.18億元；2015年，市場規(guī)模達到63.19億元。

目前，國外品牌占據(jù)了中國交流伺服市場近90%的市場份額，他們來自日本和歐美。

其中，日系產(chǎn)品以擁有約60%的市場份額而雄踞首位，其著名品牌包括松下、發(fā)那科（fanuc）、三菱電機、安川、三洋、富士等，其產(chǎn)品特點是技術(shù)和性能水準比較符合中國用戶的需求，以良好的性能價格比和較高的可靠性獲得了穩(wěn)定且持續(xù)的客戶源，在中小型OEM市場上尤其具有壟斷優(yōu)勢。近年來，日系伺服強化了本地化生產(chǎn)的策略，這在很大程度上進一步增加了在價格和快速交貨方面的籌碼。鑒于以上特性，日系伺服品牌是中國伺服市場最大的受益者，也是國產(chǎn)伺服最大的競爭者。

歐美品牌中，美國以羅克維爾（rockwell automation）、達那赫（danaher）、帕克（parker）等聞名，而德國則擁有西門子（siemens）、倫茨（Lenze）、博世力士樂（bosch rexroth）、施奈德（schneider）等品牌先鋒，英國的Control Technology、SEW也有相當?shù)膬?yōu)勢。這些歐美品牌在高端設備和生產(chǎn)線上比較有競爭力，此類產(chǎn)品的共同特點是品牌歷史悠久、技術(shù)先進、功能齊全，以全套自動化解決方案作為賣點，總的市場占有率大約在30%。最近，為提供市場競爭力，這些高端品牌也在不斷尋找本地合作伙伴，目標直指中國的中低端市場，并不甘心被日本品牌擠壓。因此，歐美品牌雖在產(chǎn)品系列上和國產(chǎn)品牌有所差別，但其野心也不可被小覷。

除日本、歐美伺服品牌外，以東元（TECO）和臺達（Delta）為代表的臺系伺服在大陸市場的推廣也如火如荼，其技術(shù)水平和價格水平居于進口中端產(chǎn)品和國產(chǎn)品牌之間，在競爭中主要突出性價比優(yōu)勢，對國產(chǎn)品牌帶來了新的競爭壓力，市場占有率從幾年前的微不足道提高到大約5%。值得注意的是，這兩個廠商的目標客戶均屬于機械行業(yè)，這將加劇與同將目標市場定位于此的南京埃斯頓等國產(chǎn)品牌之間的競爭。

相比之下，國產(chǎn)伺服品牌起步較晚，據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)較大規(guī)模的伺服品牌20余家，主要有華中數(shù)控、廣州數(shù)控、南京埃斯頓、和利時電機等。其中華中數(shù)控和廣州數(shù)控等主要集中在數(shù)控機床行業(yè)；南京埃斯頓則以自主創(chuàng)新伺服技術(shù)為基礎，提供面向機械裝備全行業(yè)的交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品，以其全系列的產(chǎn)品覆蓋和良好的產(chǎn)品性能在國內(nèi)交流伺服系統(tǒng)的市場上形成獨特的競爭優(yōu)勢。目前該公司的交流伺服產(chǎn)品已批量使用在數(shù)控機床、紡織機械、針織機械、包裝機械、印刷機械、繞線機、彈簧機、彎管機等多個機械裝備領域；和利時電機面向整個自動化產(chǎn)業(yè)機械市場提供步進、無刷、伺服等系列產(chǎn)品，在技術(shù)上和品牌上也有一定優(yōu)勢。上述品牌雖各具特色，但市場占有率加起來也僅僅在5%左右，在與洋品牌的對抗中，國產(chǎn)品牌雖奮起直追，但畢竟因?qū)嵙沂舛幱谙嘛L。

伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢

伺服系統(tǒng)方便、快速、靈活、準確的驅(qū)動在機電設備中發(fā)揮了重要的作用，其發(fā)展與伺服電機的發(fā)展相輔相成，伺服驅(qū)動早在20世紀60年代以前，不是液壓的就是直接以驅(qū)動為主要特征的伺服電機，采取開環(huán)控制的方法來進行位置控制。直流伺服電機則是在60―70年代出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來的，其在工業(yè)等相關(guān)的領域有了空前的發(fā)展和推廣，其采用的開環(huán)控制方法也被閉環(huán)控制所取代。永磁式直流電機一直以來都在數(shù)控機床應用中占主導作用，它沒有勵磁的耗損，很容易就能使電路得到控制，有較好的低速性能。自20世紀80年代開始，交流伺服驅(qū)動技術(shù)得到迅猛發(fā)展，與此同時，交流伺服系統(tǒng)的性能也在不斷地提高，相應的伺服傳動裝置也在不斷的發(fā)展，經(jīng)歷了模擬式、數(shù)?；旌鲜胶腿珨?shù)字化過程。交流伺服在90年代得到了迅猛的發(fā)展，到了21世紀，其已經(jīng)成為工業(yè)自動化控制的上世紀90年代交流伺服成為取得突破性發(fā)展。進入21世紀，交流伺服技術(shù)已成為工業(yè)自動化控制的主要使用技術(shù)?？傮w上來看，伺服系統(tǒng)可以往下面幾個方面發(fā)展。

1、交流化方面

由原來的DC伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成AC伺服系統(tǒng)。目前，AC伺服系統(tǒng)幾乎占據(jù)了國際市場，發(fā)達國家的AC伺服電機在所有產(chǎn)品中的占有率達到了80%以上，但是在國內(nèi)可以生產(chǎn)AC伺服系統(tǒng)的企業(yè)幾乎找不到。由此推斷，在不久的將來，除了少數(shù)微型電機領域以外的原來DC伺服電機占據(jù)的市場外，所有的市場將被AC伺服電機占有。

2、全數(shù)字化方面

以電子器件為主的伺服控制單元將被使用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機的完全取代，進而促進伺服系統(tǒng)的全數(shù)字化。實現(xiàn)完全數(shù)字化，對實現(xiàn)軟件伺服控制十分有利，而使得現(xiàn)代控制理論的模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡、人工智能、最優(yōu)控制等先進算法能應用于伺服系統(tǒng)。

3、小型化和微型化

目前，如功率場效應管（MOSFET）、絕緣門極晶體管（IGBT）、晶體管（GTR）等大部分新型功率半導體器件被伺服控制系統(tǒng)采用。通過這些器件的利用，使伺服單元輸出回路的功耗有所下降，系統(tǒng)的反映速度也有所加強，消除工作噪聲。尤其是開始使用智能控制功率模塊（Intelligent Power Modules，簡稱IPM）伺服控制系統(tǒng)，其將能耗制動、過溫、過壓、過流保護、輸入隔離及故障診斷等功能全都集成在了一個不是很大的模塊當中。

4、高度集成化

新型的伺服系統(tǒng)將原有伺服系統(tǒng)劃分方法進行了升級，利用單一的、集成且功能強大的控制單元控制系統(tǒng)。同一控制單元有相同功能的，其單元的性能可以通過軟件設置系統(tǒng)參數(shù)來改變。此外，還可以通過接口和外部設備位置或者力矩傳感器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來改變。使得設備本身自帶傳感器組成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。在集成化提高的同時，也明顯減少了整個控制系統(tǒng)的空間，使整個設備的安裝和調(diào)試簡單化。

5、智能化方面

目前所有工業(yè)控制設備發(fā)展的大趨勢就是智能化，而伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為一種高級的工業(yè)控制裝置也不可避免。智能型產(chǎn)品是如今最新的信息化伺服控制單元的設計形式。而所謂的智能則主要體現(xiàn)在下面幾個功能上：首先，參數(shù)記憶的功能可以實現(xiàn)，通過人機對話，完成系統(tǒng)中所有參數(shù)的相關(guān)設計，利用軟件設置的方法進行相應的修改，存儲數(shù)據(jù)時通過保存伺服單元來實現(xiàn)。利用通信接口和上位計算機來修改相關(guān)運行數(shù)據(jù)參數(shù)。其次，伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有自診斷系統(tǒng)，可以進行自身故障分析，將系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的問題原因和診斷結(jié)果實時反映到用戶的界面，便于工作人員對系統(tǒng)進行監(jiān)控和及時維護。最后，某些伺服系統(tǒng)還設計了參數(shù)自整定的程序。與此同時，為了使得系統(tǒng)性能穩(wěn)定，必須要對系統(tǒng)參數(shù)進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，耗費大量人力、物力。伺服單元帶有自整定功能的可以在試運行的過程中，對系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)進行自動整定，使設備達到最優(yōu)化的程度，這也是伺服系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，對用戶提供新型服務。

6、高抗干擾性

伺服系統(tǒng)有兩方面的抗干擾能力，其中一方面是對于周邊設備，伺服系統(tǒng)沒有干擾；另一方面是伺服系統(tǒng)不被周邊設備所干擾。從干擾介質(zhì)上分類干擾為傳導干擾和輻射干擾等。解決辦法也應該從干擾源上分析來著手解決，防止干擾的常用方法有：加超導磁環(huán)、隔離、濾波器、屏蔽等。有專家提出了一種消除干擾脈沖和因電機軸抖動而產(chǎn)生的誤碼脈沖的算法，將此算法應用于實際的交流伺服控制系統(tǒng)中，結(jié)果顯示在編碼器分辨率不變的前提下，系統(tǒng)的檢測精度得到極大提高。

7、模塊化和網(wǎng)絡化

在國外，工廠自動化（Factory Automation，F(xiàn)A）工程技術(shù)在飛速發(fā)展，并且顯示發(fā)展勢頭非常旺盛。它以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎的，為適應工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢，專用的局域網(wǎng)接口和標準如RS-232C或RS-422等串行通信接口在新型的伺服系統(tǒng)中都有配置。設置這些接口使伺服單元同其他控制設備之間相互聯(lián)接的能力明顯的增強了，進而也更容易與CNC控制系統(tǒng)相連接了，想要把幾臺甚至是數(shù)十臺的伺服單元與上位計算機連接組合成一個大的數(shù)控系統(tǒng)，僅僅用一根光纜或者是電纜就可以做到。此外，還可通過串行接口，連接可編程控制器（PLC）的數(shù)控模塊。
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審核編輯：湯梓紅

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