第1章  绪论
　　伺服来自英文单词Scrvo，是指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和转矩。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电动机、反馈装置和控制器。在20世纪60年代，最早是直流电动机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电动机的性价比不断提高，逐渐取代直流电动机成为伺服系统的主导执行电动机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括扭矩、速度和位置等。我们通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。虽然在90年代所谓的经济型数控领域采用功率步进电动机直接驱动的开环伺服系统曾经获得广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。
　　自20世纪80年代以来，随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术等支撑技术的快速发展，交流伺服控制技术的发展得到极大的迈进，使得先前困扰着交流伺服系统的电动机控制复杂和调速性能差等问题取得了突破性的进展，交流伺服系统的性能日渐提高和价格趋于合理，使得交流伺服系统逐渐取代直流伺服系统，尤其是在高准确度、高性能要求的伺服驱动领域中成为电伺服驱动系统的一个发展趋势。目前交流伺服技术已成为工业自动化的支撑技术之一。
　　伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分。随着国内交流伺服运用电动机等硬件的技术逐步成熟，以软件形式存在于控制芯片中的伺服控制技术成为制约我国高性能交流伺服技术及产品发展的瓶颈。研究具有自主知识产权的高性能交流伺服控制技术是非常必要的，尤其是最具应用前景的永磁同步电动机伺服控制技术。
　　1.1  交流伺服系统的国内外现状与发展趋势
　　进入20世纪50年代，微电子制造工艺的日益完善，使得数字信号处理器（DSP）运算速度呈几何级数上升，达到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动机控制所必需的外围电路（如A—D转换器、位置／速度检测倍频计数器、PWM发生器等）与DSP内核集成为一体，使得伺服控制回路采样时间达到100us以内，由单一芯片实现加减速自动控制，电子齿轮同步控制以及位置、速度和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、低通滤波和陷波滤波等得以实现。另一方面，电力电子技术的发展，使得伺服系统主电路功率器件的开关频率由2~5kH。提升到15—20kHz，绝缘栅极双型晶体管（IGBT）及智能功率模块（IPM）均是这一时代的产物，从而提高了系统的稳定性，降低了系统的噪声。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。
　　无人化、规模化生产对加工设备提出了高速度、高准确度和高效率的要求，交流伺服系统具有高响应、免维护（无电刷、换向器等磨损元部件）和高可靠性等特点，正好满足这一需求。例如日本FANUC公司、三菱电机公司、安川电机公司、德国Siemens公司、美国AB公司及CE公司等分别在1984年前后将交流伺服系统付诸实用。目前，一些工业发达国家的伺服系统生产厂商基本上均能提供全数字交流伺服系统或者可以与自己的计算机数控（CNC）系统相配套，如日本FANUC公司、三菱电机公司、安川电机公司、松下公司、三洋电机公司以及德国Siemens公司等。
　　我国从20世纪70年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和科研单位，以军工和宇航卫星为主要应用方向，不考虑成本因素。主要研究机构有北京机床研究所、西安微电机研究所以及中科院沈阳自动化研究所等。80年代以后开始进入工业领域，直到2000年，国产伺服停留在批量小、价格高、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。2000年以后，随着中国变成世界工厂，制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间，国内几家单位开始推出自己品牌的交流伺服产品。目前，国内主要的伺服品牌或厂商有森创（和利时电机）、华中数控、广州数控、南京埃斯顿、兰州电机厂和沈阳高精度数控等厂商。其中华中数控和广州数控等主要集中在数控机床领域。
　　总结国内外伺服厂商的技术路线和产品路线，结合市场需求的变化，可以看到以下一些最新发展趋势：
　　（1）高效率化
　　尽管这方面的工作早就在进行，但是仍需要继续加强。主要包括电动机本身的高效率化，如永磁材料性能的改进和更好的磁铁安装结构设计，同时也包括驱动系统的高效率化、逆变器驱动电路的优化、加减速运动的优化、再生制动和能量反馈以及更好的冷却方式等。
　　（2）直接驱动
　　直接驱动包括采用盘式电动机的转台伺服驱动和采用直线电动机的线性伺服驱动，由于消除了中间传递误差，从而实现了高速化和高定位准确度。直线电动机容易改变形状的特点可以使采用线性直线机构的各种装置实现小型化和轻量化。
　　（3）高速、高精度、高性能化
　　采用更高精度的编码器（每转百万脉冲级），更高采样精度和数据位数、速度更快的DSP，无齿槽效应的高性能旋转电动机、直线电动机，以及应用自适应、人工智能等各种现代梓制策略．不断将伺服系统的性能指标桿高。
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