数控机床伺服驱动技术的现状与发展趋势

数控机床伺服驱动技术的现状与发展趋势

!景琦

一、概述

伺服驱动技术作为数控机床、工业机器人及其它产业机械控制的关键技术之一，在国内外普遍受到关注。在!"世纪最后#"年间，微处理器（特别是数字信号处理器———$%&）技术、电力电子技术、网络技术、控制技术的发展为伺服驱动技术的进一步发展奠定了良好的基础。如果说!"世纪’"年代是交流伺服驱动技术取代直流伺服驱动技术的话，那么，!"世纪("年代则是伺服驱动系统实现全数字化、智能化、网络化的#"年。这一点在一些工业发达国家尤为明显。

二、国外现状与发展趋势

无人化、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，交流伺服系统具有高响应、免维护（无碳刷、换向器等磨损元部件）、高可靠性等特点，正好适应了这一需求。例如，日本)*+,-公司、三菱电机公司、安川电机公司、德国%./0/12公司、*34公司、力士乐51678089公司、美国*:;公司、43公司等均先后在#(’<年前后将交流伺服系统付诸实用。国内的交流伺服驱动技术起步较晚，到!"世纪’"年代末才有产品问世。如冶金部自动化研究院华腾公司的*-%系列、扬州=>"’厂引进%./0/12公司的?#"系列，这些产品采用大功率晶体管模块（4@A），属于模拟伺服，但从技术上填补了国内空白。

进入!"世纪("年代，微电子制造工艺的日臻完善，使得$%&运算速度呈几何数上升，达到了伺服环路高速实时控制的要求，一些运动控制芯片制造商还将电机控制所必需的外围电路（如*B$转换器、位置B 速度检测倍频计数器、&CD发生器等）与$%&内核集成于一体，使得伺服控制回路采样时间达到#""!2以内，由单一芯片实现自动加、减速控制，电子齿轮同步控制，位置、速度、电流三环的数字化补偿控制。一些新的控制算法如速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。另一方面，电力电子技术的发展，使得伺服系统主电路功率元件的开关频率由!E=FGH 提升到#=E!"FGH，54;@（绝缘栅门双极性晶体管）及5&D（智能型功率模块）均是这一时代的产物，从而提高了系统的平稳性，降低了系统的噪音。以上两个方面不仅是交流伺服实现数字化的基础，而且使得交流伺服趋于小型化。目前一些工业发达国家的伺服系统生产厂家基本上均能够提供全数字交流伺服系统或者可以与自己的-+-系统相配套，如日本)*+,-公司、三菱电机公司、安川电机公司、松下公司、山洋电机公司、德国%./0/12公司、力士乐51678089公司、I/1H/公司、美国*:;公司、JKLL0K7M/1公司、A/LL.81N/公司、;8L6K7公司、&8N.O.N%N./19.O.N公司等。

全数字交流伺服技术的飞速发展，使得用户根据负载状况（如惯量、间隙、摩擦力等）调整参数更为方便，也省去了一些模拟回路所产生的漂移等不稳定因素，但在发展初期，伺服接口缺乏统一标准，各个厂家均设计自己的接口电路，相互之间无可互换性，用户适配较为麻烦。在网络技术及&-PQ82/6-+-技术快速发展的情况下，这一问题尤为突出。

在#(’R年，由德国机床协会和德国电力电子协会联合提出数字驱动接口国际标准，即%3A-S%（%/7.8L A/8LP9.0/-K00T1.N89.K1%U29/0串行实时通信系统）接口作为高性能运动控制系统闭环数据串行实时通信接口，这两个协会将电机、驱动系统、-+-系统的主要制造商组成一个联合工作组。最初加入%3A-S%工作组的公司有*34、*;;、*DJ、;810TLL/7、;K2NV、51678089、%./0/12、&8N.O.N%N./19.O.N等几家公司。到了#((<年，%3A-S%成为控制器与数字伺服驱动系统接口的国际标准并作为53-?#<(#标准获得通过，因此具有开放性，迄今成员已增加到R"多个公司。与此同时，开发了相应的*%5-芯片、%3A-S+’#?，传输速度为!B

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