發展我國伺服驅動產業的探討

      作為數控機床的重要功能部件，伺服驅動裝置的特性一直是影響數控機床加工性能的重要指標。圍繞伺服驅動裝置的動態特性與靜態特性的提高，近年來國內外發展了多種伺服驅動技術。可以預見，隨著高速切削、超精密加工、網絡制造等先進技術的發展，具有網絡接口的全數字交流伺服驅動系統、直線伺服系統及高速電主軸等成為機床行業的關注熱點，并成為伺服驅動系統的發展方向。

    一、交流永磁同步伺服驅動裝置

    伺服驅動技術經過了直流伺服裝置、直流無刷伺服裝置和交流永磁同步伺服驅動裝置三個階段。隨著現代制造業規模化生產對加工設備提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流永磁同步伺服驅動裝置具有高響應、免維護(無炭刷、換向器等磨損元部件)、高可靠性等特點。它采用微處理技術、大功率高性能半導體功率器件技術、電機永磁材料制造工藝和具有較好的性能價格比，成為工業領域實現自動化的基礎技術之一。

    從2005年德國漢諾威展覽會，可以看到伺服驅動裝置的兩個發展趨勢：

    1. 全數字化

    全數字化是未來伺服驅動技術發展的必然趨勢。全數字化不僅包括伺服驅動內部控制的數字化，伺服驅動到數控系統接口的數字化，而且還應該包括測量單元數字化。因此伺服驅動單元內部三環的全數字化、現場總線連接接口、編碼器到伺服驅動的數字化連接接口，是全數字化的重要標志。

    隨著微電子制造工藝的日益完善，采用新型高速微處理器，特別是數字信號處理器—DSP技術，使運算速度呈幾何級數上升。伺服驅動內部的三環控制(位置環/速度環/電流環)數字化是保證伺服驅動高響應、高性能和高可靠性的重要前提。伺服驅動所有的控制運算，都可由其內部的DSP完成，達到了伺服環路高速實時控制的要求。一些產品還將電機控制的外圍電路與DSP內核集成于一體，一些新的控制算法速度前饋、加速度前饋、低通濾波、凹陷濾波等得以實現。

    伺服驅動傳統的模擬量控制接口，容易受到外部信號干擾，傳輸距離短。我國目前伺服驅動裝置上大量采用的脈沖式控制接口，也不是真正意義上的數字接口。這種接口受脈沖頻率的限制，不能滿足高速、高精控制的要求。而采用現場總線的數字化控制接口，是伺服驅動裝置實現高速、高精控制的必要條件。因此，近年來外國公司紛紛推出各自的數字接口協議和標準，如日本發那科公司推出串行伺服總線(FSSB)，德國西門子公司推出Profibus-DP總線，日本三菱推出CC-link總線，德國力施樂推出SERCOS總線。

    全數字化已經延伸到測量單元接口的數字化。德國HEIDENHAIN將各種類型的編碼器，如絕對、增量式和正余弦編碼器的細分功能，都統一到EnDae2.2編碼器連接協議中。細分過程在編碼器內部完成，再通過數字接口和伺服驅動連接起來，這才是真正的全數字化。

    2. 高性能

    表現為高精度、高動態響應、高剛性、高過載能力、高可靠性、高電磁兼容性、高電網適應能力、高性價比。

    在2005年漢諾威展覽會上，日本發那科推出了HRV4伺服控制控制技術。伺服HRV4繼承并進一步發展了HRV3的優點，具有如下特點：在任何時刻，均采用納米層次的位置指令，使用1600萬/轉的αi 高分辨率的脈沖編碼器，可以實現納米精度的伺服控制；HRV4超高速伺服控制處理器，所控制的電機轉速可以達到60000r/min；HRV4控制算法，可使得伺服電機的最大控制電流減少50％，并減少電機發熱17％，因此，伺服驅動裝置可以獲得更高的剛性和過載能力。

    各公司對伺服的動態特性更加關注。如海德漢公司在2005年漢諾威展覽會上，展示了不同分辨率的編碼器對扭矩脈動的影響，揭示了提高編碼器分辨率，可以大大減少伺服驅動的轉矩脈動。

    電子電力技術的發展，使得伺服系統主電路功率元件的開關頻率由2～5kHz提高到10kHz以上，大功率絕緣柵門雙極性晶體管(IGBT)和智能控制功率模塊(IPM)等先進器件的采用，大大減少了伺服驅動器輸出回路的功耗，提高了系統的響應速度和平穩性，降低了運行噪音。這些不僅為交流伺服全數字化、高速度、高精度奠定了基礎，還使得交流伺服系統趨于小型化。

    二、直接驅動技術(Direct Drive)

    大推力直線伺服驅動裝置、大轉矩力矩伺服驅動裝置與傳統的螺旋傳動方式相比，直接驅動技術最大特點是取消了電動機到移動/轉動工作臺之間的一切機械傳動環節，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。這種“零傳動”方式，帶來了螺旋傳動方式無法達到的性能指標，如加速度可達3g以上，為傳統驅動裝置的10～20倍，進給速度是傳統的4～5倍。

    直接驅動技術是高速高精數控機床的理想驅動模式，受到機床廠家的重視，技術發展迅速。近年來，國際上幾十家公司展出了直線電動機驅動的高速機床，一些制造廠商已將機床運動加速度提高到2～3g，快速移動速度提高到150～240m/min。MAZAK公司將推出基于直線伺服系統的超音速加工中心，切削速度8馬赫，主軸最高轉速80000r/min, 快速移動速度500m/min, 加速度6g。這標志著，以直線伺服為代表的第二代高速機床，已克服了直線電機的發熱、防護和成本高的缺點，逐步走向實用。

    2005年底，作者參觀了日本森精機的工廠，印象最深的是:森精機的機床產品上已大量使用自制的大轉矩力矩伺服驅動裝置。與傳統的蝸輪蝸桿傳動相比，大轉矩力矩伺服驅動裝置使得機床的回轉軸的結構大大簡化，轉臺的轉速大大提高，動態響應大大提高。

    三、高速電主軸

    電主軸是電動機與主軸融合在一起的產物。它將主軸電動機的定子、轉子直接裝入主軸組件內部，電動機的轉子即為主軸的旋轉部分，由于取消了齒輪變速箱的傳動與電動機的連接，實現了主軸系統的一體化、“零傳動”。因此，其具有結構緊湊、重量輕、慣性小、動態特性好等優點，并可改善機床動平衡，避免振動和噪聲，在超高速機床上得到了廣泛的應用。電主軸的驅動一般使用矢量控制的變頻技術。

    國外高速加工主軸轉速一般在12000～25000r/min, 最高達70000～80000r/min。

    四、我國伺服驅動系統的現狀

    我國在20世紀80年代初期通過引進、消化、吸收國外先進技術，又在國家“七五”、“八五”、“九五”期間對伺服驅動技術進行重大科技攻關，取得了一定成果。

    上世紀80年代，我國曾花巨資引進西門子的伺服驅動技術。但由于其引進的技術屬淘汰的落后技術，自主的消化吸收沒有突破，導致沒有實現產業化。慘痛的歷史教訓使大家明白了一個硬道理：對于伺服驅動這樣的戰略高技術，靠花錢引進根本辦不到；盲目效仿國外，也只會落后挨打，受制于人；唯一的出路，就是走自主創新之路。

    華中科技大學是我國自主創新的伺服驅動技術的發源地之一。“八五”期間，華中科技大學的自控系和電力系分別開始了伺服驅動的研發工作。1996年，自控系與華中數控合作，共同研制基于單片機的模擬數字混合式(電流環是模擬量)交流伺服驅動和主軸驅動(HSV-9系列)，后來又開發了基于DSP的全數字交流伺服驅動裝置(HSV-16/18/20)并投入大批量生產。到目前為止已累計生產銷售30000多臺，被評為國家攻關重大成果和國家重點新產品。華中科技大學電力系與廣州數控、上海開通數控合作，研制的伺服驅動技術也已實現產業化。

    北京航天數控公司生產的DSCU系列全數字伺服控制單元和DSSU系列全數字主軸控制單元、北京凱奇數控設備成套有限公司生產的全數字伺服控制單元和全數字主軸控制單元及電機也已經得到了大規模應用，進給伺服功率范圍20W～7.5kW，主軸伺服功率范圍3.5kW～22kW，可以滿足企業實際需要。

    北京時光科技公司自主研發的“全數字化交流伺服控制技術”，采用32位微處理器為基礎的系統級芯片和智能化功率器件，成功實現了對三相交流異步電機（鼠籠式電動機）的高精度伺服控制。基于此項技術研制生產的IMS系列伺服控制器可通過編程方式，靈活、準確地對電機的位置、轉速、加速度和輸出轉矩實現高精度控制，其產品能廣泛應用于機床、電梯、包裝機械、印刷機械、塑料機械、搬