发展我国伺服驱动产业的探讨

      作为数控机床的重要功能部件，伺服驱动装置的特性一直是影响数控机床加工性能的重要指标。围绕伺服驱动装置的动态特性与静态特性的提高，近年来国内外发展了多种伺服驱动技术。可以预见，随着高速切削、超精密加工、网络制造等先进技术的发展，具有网络接口的全数字交流伺服驱动系统、直线伺服系统及高速电主轴等成为机床行业的关注热点，并成为伺服驱动系统的发展方向。

    一、交流永磁同步伺服驱动装置

    伺服驱动技术经过了直流伺服装置、直流无刷伺服装置和交流永磁同步伺服驱动装置三个阶段。随着现代制造业规模化生产对加工设备提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流永磁同步伺服驱动装置具有高响应、免维护(无炭刷、换向器等磨损元部件)、高可靠性等特点。它采用微处理技术、大功率高性能半导体功率器件技术、电机永磁材料制造工艺和具有较好的性能价格比，成为工业领域实现自动化的基础技术之一。

    从2005年德国汉诺威展览会，可以看到伺服驱动装置的两个发展趋势：

    1. 全数字化

    全数字化是未来伺服驱动技术发展的必然趋势。全数字化不仅包括伺服驱动内部控制的数字化，伺服驱动到数控系统接口的数字化，而且还应该包括测量单元数字化。因此伺服驱动单元内部三环的全数字化、现场总线连接接口、编码器到伺服驱动的数字化连接接口，是全数字化的重要标志。

    随着微电子制造工艺的日益完善，采用新型高速微处理器，特别是数字信号处理器—DSP技术，使运算速度呈几何级数上升。伺服驱动内部的三环控制(位置环/速度环/电流环)数字化是保证伺服驱动高响应、高性能和高可靠性的重要前提。伺服驱动所有的控制运算，都可由其内部的DSP完成，达到了伺服环路高速实时控制的要求。一些产品还将电机控制的外围电路与DSP内核集成于一体，一些新的控制算法速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。

    伺服驱动传统的模拟量控制接口，容易受到外部信号干扰，传输距离短。我国目前伺服驱动装置上大量采用的脉冲式控制接口，也不是真正意义上的数字接口。这种接口受脉冲频率的限制，不能满足高速、高精控制的要求。而采用现场总线的数字化控制接口，是伺服驱动装置实现高速、高精控制的必要条件。因此，近年来外国公司纷纷推出各自的数字接口协议和标准，如日本发那科公司推出串行伺服总线(FSSB)，德国西门子公司推出Profibus-DP总线，日本三菱推出CC-link总线，德国力施乐推出SERCOS总线。

    全数字化已经延伸到测量单元接口的数字化。德国HEIDENHAIN将各种类型的编码器，如绝对、增量式和正余弦编码器的细分功能，都统一到EnDae2.2编码器连接协议中。细分过程在编码器内部完成，再通过数字接口和伺服驱动连接起来，这才是真正的全数字化。

    2. 高性能

    表现为高精度、高动态响应、高刚性、高过载能力、高可靠性、高电磁兼容性、高电网适应能力、高性价比。

    在2005年汉诺威展览会上，日本发那科推出了HRV4伺服控制控制技术。伺服HRV4继承并进一步发展了HRV3的优点，具有如下特点：在任何时刻，均采用纳米层次的位置指令，使用1600万/转的αi 高分辨率的脉冲编码器，可以实现纳米精度的伺服控制；HRV4超高速伺服控制处理器，所控制的电机转速可以达到60000r/min；HRV4控制算法，可使得伺服电机的最大控制电流减少50％，并减少电机发热17％，因此，伺服驱动装置可以获得更高的刚性和过载能力。

    各公司对伺服的动态特性更加关注。如海德汉公司在2005年汉诺威展览会上，展示了不同分辨率的编码器对扭矩脉动的影响，揭示了提高编码器分辨率，可以大大减少伺服驱动的转矩脉动。

    电子电力技术的发展，使得伺服系统主电路功率元件的开关频率由2～5kHz提高到10kHz以上，大功率绝缘栅门双极性晶体管(IGBT)和智能控制功率模块(IPM)等先进器件的采用，大大减少了伺服驱动器输出回路的功耗，提高了系统的响应速度和平稳性，降低了运行噪音。这些不仅为交流伺服全数字化、高速度、高精度奠定了基础，还使得交流伺服系统趋于小型化。

    二、直接驱动技术(Direct Drive)

    大推力直线伺服驱动装置、大转矩力矩伺服驱动装置与传统的螺旋传动方式相比，直接驱动技术最大特点是取消了电动机到移动/转动工作台之间的一切机械传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式，带来了螺旋传动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10～20倍，进给速度是传统的4～5倍。

    直接驱动技术是高速高精数控机床的理想驱动模式，受到机床厂家的重视，技术发展迅速。近年来，国际上几十家公司展出了直线电动机驱动的高速机床，一些制造厂商已将机床运动加速度提高到2～3g，快速移动速度提高到150～240m/min。MAZAK公司将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切削速度8马赫，主轴最高转速80000r/min, 快速移动速度500m/min, 加速度6g。这标志着，以直线伺服为代表的第二代高速机床，已克服了直线电机的发热、防护和成本高的缺点，逐步走向实用。

    2005年底，作者参观了日本森精机的工厂，印象最深的是:森精机的机床产品上已大量使用自制的大转矩力矩伺服驱动装置。与传统的蜗轮蜗杆传动相比，大转矩力矩伺服驱动装置使得机床的回转轴的结构大大简化，转台的转速大大提高，动态响应大大提高。

    三、高速电主轴

    电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物。它将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件内部，电动机的转子即为主轴的旋转部分，由于取消了齿轮变速箱的传动与电动机的连接，实现了主轴系统的一体化、“零传动”。因此，其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床动平衡，避免振动和噪声，在超高速机床上得到了广泛的应用。电主轴的驱动一般使用矢量控制的变频技术。

    国外高速加工主轴转速一般在12000～25000r/min, 最高达70000～80000r/min。

    四、我国伺服驱动系统的现状

    我国在20世纪80年代初期通过引进、消化、吸收国外先进技术，又在国家“七五”、“八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技攻关，取得了一定成果。

    上世纪80年代，我国曾花巨资引进西门子的伺服驱动技术。但由于其引进的技术属淘汰的落后技术，自主的消化吸收没有突破，导致没有实现产业化。惨痛的历史教训使大家明白了一个硬道理：对于伺服驱动这样的战略高技术，靠花钱引进根本办不到；盲目效仿国外，也只会落后挨打，受制于人；唯一的出路，就是走自主创新之路。

    华中科技大学是我国自主创新的伺服驱动技术的发源地之一。“八五”期间，华中科技大学的自控系和电力系分别开始了伺服驱动的研发工作。1996年，自控系与华中数控合作，共同研制基于单片机的模拟数字混合式(电流环是模拟量)交流伺服驱动和主轴驱动(HSV-9系列)，后来又开发了基于DSP的全数字交流伺服驱动装置(HSV-16/18/20)并投入大批量生产。到目前为止已累计生产销售30000多台，被评为国家攻关重大成果和国家重点新产品。华中科技大学电力系与广州数控、上海开通数控合作，研制的伺服驱动技术也已实现产业化。

    北京航天数控公司生产的DSCU系列全数字伺服控制单元和DSSU系列全数字主轴控制单元、北京凯奇数控设备成套有限公司生产的全数字伺服控制单元和全数字主轴控制单元及电机也已经得到了大规模应用，进给伺服功率范围20W～7.5kW，主轴伺服功率范围3.5kW～22kW，可以满足企业实际需要。

    北京时光科技公司自主研发的“全数字化交流伺服控制技术”，采用32位微处理器为基础的系统级芯片和智能化功率器件，成功实现了对三相交流异步电机（鼠笼式电动机）的高精度伺服控制。基于此项技术研制生产的IMS系列伺服控制器可通过编程方式，灵活、准确地对电机的位置、转速、加速度和输出转矩实现高精度控制，其产品能广泛应用于机床、电梯、包装机械、印刷机械、塑料机械、搬