淺談伺服驅動技術未來開發趨勢

最近一兩年伺服驅動技術的發展日新月異，整體應用水平顯著提升。哈爾濱工業大學楊明教授總結了現階段國內伺服驅動技術的開發現狀，并結合哈工大在伺服領域的研究成果，分析了伺服驅動技術未來的重要發展趨勢。 ? 伺服驅動技術的發展現狀 ? 就目前伺服驅動技術的發展現狀，從基本性能指標來看，以1馬力（750W）通用伺服系統為例，市場主流產品的最高轉速可達6000rpm（額定轉速2倍），最大轉矩為3.5倍額定轉矩，碼盤分辨率：24Bit，定位精度可達1.2納米（導程20mm滾珠絲杠），響應速度為速度環3.1kHz。

在核心技術方面，主要是針對控制器的參數自整定技術的開發。參數自整定性能是衡量高檔伺服系統水平的顯著標志之一。從技術角度來說，參數自整定性能的實現主要分為兩種方法，一種方法是基于模型法，即根據電機本體的模型以及復雜的模型，可以精確地匹配出參數；另一種是在線整定伺服系統的參數；當然，也有把這兩種方式相結合的方法，我們認為將兩種方式融合是較佳的一種參數自整定技術發展趨勢，目前哈工大也在朝這個方向探索。

總體來看，伺服驅動系統的發展趨勢是：體積減小，質量減輕，并提升了最高轉矩、轉速；提高響應性，縮短調整時間；提高了整定性能，使調諧趨于簡單便利；提高了擴展性，增加指令形式，擴充匹配的電機種類。

值得關注的還有機械諧振抑制技術和多軸驅動一體化技術的發展。目前一些主流品牌或高檔伺服系統都已具備這種諧振抑制功能，而且均能提供四到五個不同諧振范圍的機械共振抑制波段。而在多軸驅動一體化技術的開發上，這種架構極大地降低了系統的體積，并通過共直流母線方式有效地降低了電容容量、提高了整體效率，是現階段許多企業投入研發的一個重點。目前市場上眾多驅控一體化產品主要分為兩類，一類是模塊化拓展型，它有一個直流母線或是能量單位；還有一種就是2、4、8軸一體式專機型。但同時，也有部分產品僅僅只是將多個單軸驅動器“簡單”地做到一個控制器內，內部的控制結構幾乎沒有改變，并沒有真正地實現多軸驅動融合，更多的只是做到了驅動一體化，而控制器還是需要上位機或運動控制卡來發出指令。

伺服驅動技術未來開發趨勢

由于材料的變革，尤其是受主控芯片和功率器件這兩類半導體技術發展的影響，伺服驅動技術將產生顛覆性的創新?？傮w來看，伺服驅動技術的未來開發趨勢包括以下四個方面。

首先，在主控芯片的發展上，市場主流的控制器多采用的是雙核結構（FPGA+ARM），目前在安川SigmaVII系列中已經采用了雙核一體式控制器，其將這兩個控制芯片進行了集成，使得保密性更強，布線也更簡單。隨著芯片技術的發展，類似智能手機使用的多核驅控集成式控制器將會出現在市場上，它既能保持FPGA+ARM的運算優勢；同時利用內部總線，避免了復雜的外部接線，具有超高的通信速度；有利于多軸運動軌跡控制精度的提高與振動抑制能力的提升。

隨著多核芯片能力的提升，將伺服驅動、運動控制一體化集成在底層嵌入式系統當中，可極大地降低系統集成復雜性、成本與體積；并且由于克服了總線通訊的延時，運動控制整體性能也將得到極大地提升。以工業機器人使用的電機和伺服性能優化為例，在我們目前提出的技術方案中的一個重點就是要真正做到驅控一體化，即從傳統的一個示教盒加一個上位機（單核芯片、多控制器分布式結構），過渡到一個示教盒加多軸驅控一體機（多核芯片、驅控一體結構），這也是未來的一個重要的研發方向。

第二個方向是基于寬禁帶器件的高頻化電機驅動系統的開發。根據碳化硅（SiC）器件的市場調研和預測顯示，從2015年開始SiC器件的應用市場年增長率已到達39%，特別是在AC電機驅動系統的應用上，從2016年從無到有，SiC器件的使用量急速增長，其在電動車和光伏驅動領域得到了大量的應用。

寬禁帶半導體器件的應用令到電力電子系統的性能全面提升，具有高效率、高溫高頻、優越的動態性能、小體積低成本、高功率密度、高穩定可靠性等特點。采用基于寬禁帶器件的電機與驅動器一體化系統，當開關頻率達到40kHz時，驅動器所需電容體積為10kHz開關頻率時的25%。此外，基于寬禁帶器件的高頻化電機驅動系統的輸出功率900W，效率可達到99%。從高速電機的角度來看，可增加逆變器的開關頻率，改善控制效果；還可增加離散化頻率，減小離散化誤差。當然，高頻化也會帶來dv/dt和di/dt的問題，一般有幾種解決方案，即增大門級電阻、RC濾波、LC濾波及其他濾波。

第三個方向是提升伺服系統產品可靠性和一致性關鍵技術。首先要判斷出來影響電機的機理和因素，進行高低溫度循環、步進振動應力和連續起停試驗，全面激發伺服系統潛在故障；并采用故障樹分析（FTA）和故障模式影響及危害度分析（FMECA），確定伺服系統關鍵零部件。之后，就是伺服系統壽命預測及可靠性增長研究，從理論角度來提升可靠性增長，最后是建設伺服電機和驅動器核心功能測試平臺，以及伺服電機和驅動器加速等效可靠性測試平臺。

第四個方向是智能化伺服驅動系統的研究，其中包括：傳動鏈模式識別、參數免調試技術、電機本體/驅動器/傳動鏈運行狀態在線監控、安全運行能力等。

編輯：黃飛

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