1.伺服系統的發展

“伺服(servo)”這個詞語源於希臘語,含有“奴隸”的意思。“伺服機構”是按照控制訊號的要求而動作控制訊號到來之前,被控物件是靜止不動的接收到控制訊號後,被控物件則按要求動作控制訊號消失之後,被控物件又能自行停止。正是基於執行機構這一特點,我們稱之為伺服系統。

伺服控制系統是一種自動控制系統，它可以使輸出能夠精確跟隨某個目標過程，通常用來控制指定物件的轉角或位移，可以使被控物件能夠精確呈現出輸入的控制指令的要求。

近代工業興起以來，伺服控制系統主要經歷了機械、液壓、電氣化伺服幾個階段，現代意義上的伺服控制系統通常是指電氣伺服。電氣伺服又走過幾個不同的歷史階段：

第一階段，電氣伺服發明到 1960 年之前，電氣伺服系統普遍採用功率步進電機作為動力源，一般不設計反饋迴路，以開環控制為主；

第二階段，1960到1970之間，直流電機開始廣泛應用於電氣伺服領域，這一階段主要以直流有刷電機作為驅動源，多用旋轉變壓器、測速發電機、編碼器等感測裝置構成閉環控制系統；

第三階段，80 年代以來，新技術及新材料的飛躍促使電氣伺服進入交流伺服時代，執行電機通常以 永磁同步電機為代表，並逐步佔據了當今伺服領域主要市場。

2.伺服系統國內外研究現狀

國外對於交流調速系統的研究比較早。在上世紀70年代年由德國西門子公司F.Blaschkc等提出了向量控制，也可叫做磁場定向控制。基於磁場功率或者幅值等效原則，通過向量變換將交流電機數學模型變為一臺它勵直流電動機。在動靜三種參考座標內，將定子三相交變電流變換為正交的兩個分量。在向量空間內是正交關係，令d軸電流為0進行解耦控制，以獲得與直流電機類似的良好動態調速效能。勵磁電流和轉矩電流解除耦合，然後分開加以控制，系統獲得了良好的線性特性[14]-[16]。直接轉矩控制由德國學者在上世紀八十年代首次提出。它是在向量控制基礎上進行了簡化，逐漸被廣泛應用的的高效能交流變頻調速技術。區別於向量控制，它沒有采用旋轉座標系，在三相靜止座標系下直接實現磁鏈計算與輸出轉矩控制。基於簡化後的控制方式，它省略了電流控制環節，直接推匯出電子磁鏈空間向量和轉矩控制的關係，簡化了控制變數關係，提高了轉矩響應能力。它的本質依然是定子磁場定向技術，通過兩點跳動控制方式，產生PWM波驅動訊號。顯然這種方式也有缺點，本質上是一種不連續的控制方式，實際應用中存在轉矩波動，所以直接轉矩控制還需要更多的理論實踐研究[17]-[19]。

交流調速技術的普及極大地提高了系統的調速性，創造了具有節能、成本低、效率及精度高得現代伺服驅動產品，由於國外對於交流伺服技術的研究比較早，且技術領先，使得國外的伺服驅動產品佔據了國內市場，如美國 GE 公司、力士樂 Indramat 公司、德國 Siemens 公司等，這些國家所生產的伺服產品與我國的伺服產品相比有著很大的優勢。

近年來國內交流永磁同步電機伺服控制系統的研究非常活躍，天津大學、華中科技大學、瀋陽工業大學等研究出由微控制器構成的全數字交流永磁同步電機伺服控制系統，採用預測控制和空間向量控制技術，改善了電流控制性能和系統響應精度。數字控制技術的應用，不僅使系統獲得高精度、高可靠性，還為新型控制理論和方法的應用提供了基礎。中國國內品牌主要有森創（和利時電機）、華中數控、廣州數控、南京埃斯頓和蘭州數控等。由廣州數控生產的 DA98全數字式交流伺服驅動裝置，由高原數控煙臺公司生產的GY一2000系列數字化交流伺服驅動器在我國的高精度數控伺服驅動行業已經開啟局面，打破了外國公司壟斷的格局，開創了民族品牌新紀元。

但國內產品主要應用在中下檔的產品，調速範圍在 1：1000 以上，一般的在 1：5000～1：10000；而國外高效能伺服控制系統可以達到 1：100000 以上。國內定位精度一般都要達到±1個脈衝，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，國外高效能的可以達到±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後不超過90度或者幅值不小於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。執行穩定性方面，主要是指系統在電壓波動、負載波動、電機引數變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾、以及其他特殊執行條件下，維持穩定執行並保證一定的效能指標的能力。這方面國內產品、包括部分臺灣產品和世界先進水平相比差距較大。

3.伺服系統的發展趨勢

由上述伺服控制系統的國內外的研究現狀與發展歷程可以看出一些交流伺

服系統的最新發展趨勢：

（1）高精度、高可靠性。轉矩及速度更平滑，響應更快，定位更精確。

（2）智慧化。引數自整，故障自診，自適應。

（3）無位置感測器控制。

（4）引入先進控制理論。

（5）開放化和網路化。

4.伺服系統相關技術

（1）永磁材料的發展

永磁材料主要有鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土永磁體三大類[20]。近年來經過不斷的改進提高，釹鐵硼永磁材料的最高工作溫度已可達到 180 度，一般也可以到 150 度，已足以滿足絕大多數電機的使用要求。在同步電機中使用永磁體的好處是簡化了結構，消除了轉子的滑環、電刷，實現了無刷結構，縮小了轉子體積，同時消除了勵磁損耗和發熱。絕大多數中小功率的同步電動機已採用永磁式結構[21]。

（2）電力電子技術

導體技術的發展使伺服控制技術進入了全數字化時期，伺服控制器體積進一步減小。大規模積體電路（LSI）的精細加工技術以及開關特性的改善，使高速開關器件的應用成為主流。絕緣柵雙極電晶體（IGBT）已經發展到了第 5 代產品[22]。

（3）微處理器技術

微處理器使伺服電機控制技術發生了巨大變革，使用微處理器簡化了伺服電機控制硬體，實現了數字化控制，提高了伺服系統的抗干擾能力和可靠性。而且可以方便實現人工智慧對系統執行狀態進行診斷，為電機運動控制系統的發展提供了很大的開發平臺。

（4）電機調速理論

隨著電力電子技術、微處理器技術的發展以及電機控制技術的不斷改進，恆定壓頻比控制理論不能滿足人們的要求。目前交流電動機電磁轉矩高效能控制策略主要有向量控制和直接轉矩控制[23]。