發(fā)展我國伺服驅(qū)動產(chǎn)業(yè)的探討作為數(shù)控機床的重要功能部件，伺服驅(qū)動裝置的特性一直是影響數(shù)控機床加工性能的重要指標(biāo)。圍繞伺服驅(qū)動裝置的動態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來國內(nèi)外發(fā)展了多種伺服驅(qū)動技術(shù)�？梢灶A(yù)見，隨著高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)絡(luò)接口的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、直線伺服系統(tǒng)及高速電主軸等成為機床行業(yè)的關(guān)注熱點，并成為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展方向。 

    一、交流永磁同步伺服驅(qū)動裝置

    伺服驅(qū)動技術(shù)經(jīng)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(qū)動裝置三個階段。隨著現(xiàn)代制造業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)對加工設(shè)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(qū)動裝置具有高響應(yīng)、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(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)、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(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)之一。

    從2005年德國漢諾威展覽會，可以看到伺服驅(qū)動裝置的兩個發(fā)展趨勢：

    1. 全數(shù)字化

    全數(shù)字化是未來伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。全數(shù)字化不僅包括伺服驅(qū)動內(nèi)部控制的數(shù)字化，伺服驅(qū)動到數(shù)控系統(tǒng)接口的數(shù)字化，而且還應(yīng)該包括測量單元數(shù)字化。因此伺服驅(qū)動單元內(nèi)部三環(huán)的全數(shù)字化、現(xiàn)場總線連接接口、編碼器到伺服驅(qū)動的數(shù)字化連接接口，是全數(shù)字化的重要標(biāo)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(shù)字信號處理器—DSP技術(shù)，使運算速度呈幾何級數(shù)上升。伺服驅(qū)動內(nèi)部的三環(huán)控制（位置環(huán)/速度環(huán)/電流環(huán)）數(shù)字化是保證伺服驅(qū)動高響應(yīng)、高性能和高可靠性的重要前提。伺服驅(qū)動所有的控制運算，都可由其內(nèi)部的DSP完成，達到了伺服環(huán)路高速實時控制的要求。一些產(chǎn)品還將電機控制的外圍電路與DSP內(nèi)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(xiàn)。

    伺服驅(qū)動傳統(tǒng)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(qū)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(shù)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(xiàn)場總線的數(shù)字化控制接口，是伺服驅(qū)動裝置實現(xiàn)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(shù)字接口協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，如日本發(fā)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(shù)字化已經(jīng)延伸到測量單元接口的數(shù)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(tǒng)一到EnDae2.2編碼器連接協(xié)議中。細分過程在編碼器內(nèi)部完成，再通過數(shù)字接口和伺服驅(qū)動連接起來，這才是真正的全數(shù)字化。

2. 高性能

    表現(xiàn)為高精度、高動態(tài)響應(yīng)、高剛性、高過載能力、高可靠性、高電磁兼容性、高電網(wǎng)適應(yīng)能力、高性價比。

    在2005年漢諾威展覽會上，日本發(fā)那科推出了HRV4伺服控制控制技術(shù)。伺服HRV4繼承并進一步發(fā)展了HRV3的優(yōu)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(zhuǎn)的αi 高分辨率的脈沖編碼器，可以實現(xiàn)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(zhuǎn)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(fā)熱17％，因此，伺服驅(qū)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(tài)特性更加關(guān)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(qū)動的轉(zhuǎn)矩脈動。

    電子電力技術(shù)的發(fā)展，使得伺服系統(tǒng)主電路功率元件的開關(guān)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(qū)動器輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和平穩(wěn)性，降低了運行噪音。這些不僅為交流伺服全數(shù)字化、高速度、高精度奠定了基礎(chǔ)，還使得交流伺服系統(tǒng)趨于小型化。

    二、直接驅(qū)動技術(shù)（Direct Drive）

    大推力直線伺服驅(qū)動裝置、大轉(zhuǎn)矩力矩伺服驅(qū)動裝置與傳統(tǒng)的螺旋傳動方式相比，直接驅(qū)動技術(shù)最大特點是取消了電動機到移動/轉(zhuǎn)動工作臺之間的一切機械傳動環(huán)節(jié)，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(biāo)，如加速度可達3g以上，為傳統(tǒng)驅(qū)動裝置的10～20倍，進給速度是傳統(tǒng)的4～5倍。

    直接驅(qū)動技術(shù)是高速高精數(shù)控機床的理想驅(qū)動模式，受到機床廠家的重視，技術(shù)發(fā)展迅速。近年來，國際上幾十家公司展出了直線電動機驅(qū)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(tǒng)的超音速加工中心，切削速度8馬赫，主軸最高轉(zhuǎn)速80000r/min, 快速移動速度500m/min, 加速度6g。這標(biāo)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(fā)熱、防護和成本高的缺點，逐步走向?qū)嵱谩?

    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(chǎn)品上已大量使用自制的大轉(zhuǎn)矩力矩伺服驅(qū)動裝置。與傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動相比，大轉(zhuǎn)矩力矩伺服驅(qū)動裝置使得機床的回轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)大大簡化，轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速大大提高，動態(tài)響應(yīng)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(chǎn)物。它將主軸電動機的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件內(nèi)部，電動機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，由于取消了齒輪變速箱的傳動與電動機的連接，實現(xiàn)了主軸系統(tǒng)的一體化、“零傳動”。因此，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)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(yīng)用。電主軸的驅(qū)動一般使用矢量控制的變頻技術(shù)。

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

    四、我國伺服驅(qū)動系統(tǒng)的現(xiàn)狀

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

    上世紀(jì)80年代，我國曾花巨資引進西門子的伺服驅(qū)動技術(shù)。但由于其引進的技術(shù)屬淘汰的落后技術(shù)，自主的消化吸收沒有突破，導(dǎo)致沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。慘痛的歷史教訓(xùn)使大家明白了一個硬道理：對于伺服驅(qū)動這樣的戰(zhàn)略高技術(shù)，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(chuàng)新之路。

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

    北京航天數(shù)控公司生產(chǎn)的DSCU系列全數(shù)字伺服控制單元和DSSU系列全數(shù)字主軸控制單元、北京凱奇數(shù)控設(shè)備成套有限公司生產(chǎn)的全數(shù)字伺服控制單元和全數(shù)字主軸控制單元及電機也已經(jīng)得到了大規(guī)模應(yīng)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(yè)實際需要。

    北京時光科技公司自主研發(fā)的“全數(shù)字化交流伺服控制技術(shù)”，采用32位微處理器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)級芯片和智能化功率器件，成功實現(xiàn)了對三相交流異步電機（鼠籠式電動機）的高精度伺服控制�；�于此項技術(shù)研制生產(chǎn)的IMS系列伺服控制器可通過編程方式，靈活、準(zhǔn)確地對電機的位置、轉(zhuǎn)速、加速度和輸出轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)高精度控制，其產(chǎn)品能廣泛應(yīng)用于機床、電梯、包裝機械、印刷機械、塑料機械、搬運機械、電動車及自動化生產(chǎn)線等各種領(lǐng)域，用戶反映良好。

    從2003年開始，我國的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)從配用步進驅(qū)動裝置，開始大規(guī)模改用伺服驅(qū)動裝置。中國人自主創(chuàng)新的伺服驅(qū)動技術(shù)為促使我國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級，立下了汗馬功勞，伺服驅(qū)動產(chǎn)業(yè)也取得了很大進步。

    目前，我國伺服驅(qū)動系統(tǒng)的產(chǎn)品性能、產(chǎn)品可靠性方面，與國外產(chǎn)品還存在一定差距。特別是在全數(shù)字化的高性能伺服驅(qū)動技術(shù)方面，與國外名牌企業(yè)仍存在較大的差距，已成為制約我國發(fā)展中高檔數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的“瓶頸”問題。

五、華中數(shù)控伺服產(chǎn)品和技術(shù)特色

    華中數(shù)控公司自成立以來，一直與華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系在伺服產(chǎn)品的開發(fā)方面緊密合作。率先在國內(nèi)開發(fā)成功基于微處理器的HSV-9交流伺服驅(qū)動裝置并批量生產(chǎn)和銷售。后來，承擔(dān)國家“十五”攻關(guān)項目“全數(shù)字交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和交流主軸伺服控制系統(tǒng)的研究開發(fā)與應(yīng)用”、國家“十五”863項目“EQ6110HEV混合動力城市公交車用電機及其控制系統(tǒng)”、國家技術(shù)創(chuàng)新項目“全數(shù)字智能化交流進給驅(qū)動單元”和中小企業(yè)創(chuàng)新基金項目“高性能伺服驅(qū)動系統(tǒng)工程化研究”等7項國家級項目的研發(fā)任務(wù)。

    華中數(shù)控近年來開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列交流伺服驅(qū)動單元和交流伺服電機。

    HSV-16系列全數(shù)字交流伺服驅(qū)動單元

    作為一種新型產(chǎn)品，它進一步提高和完善了產(chǎn)品性能。驅(qū)動器的硬件環(huán)境為:高性能馬達控制專用數(shù)字信號處理器（DSP）+大規(guī)�，F(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA）+智能功率模塊（IPM）;操作簡單、可靠性高、體積小巧、易于安裝。具有自測試、自診斷功能，且對短路、過流、過壓、欠壓、泵升、過熱等多種故障情況具有完善的軟、硬件保護功能。

    HSV-18D系列全數(shù)字交流伺服進給驅(qū)動單元和主軸單元

    采用當(dāng)今最新技術(shù)設(shè)計，交流380V直接供電，可實現(xiàn)多種交流電機，包括交流永磁同步電機、無刷直流電機、交流感應(yīng)電機（交流異步電機）的轉(zhuǎn)矩、速度、位置閉環(huán)或全閉環(huán)控制。

    為了提高產(chǎn)品的可靠性，面對國內(nèi)用戶使用環(huán)境惡劣的現(xiàn)狀，華中數(shù)控的伺服驅(qū)動裝置的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是按歐洲四級電磁兼容性的指標(biāo)制訂的，比國家標(biāo)準(zhǔn)（歐洲三級電磁兼容性）的技術(shù)指標(biāo)高出一倍。華中數(shù)控產(chǎn)品適用的電壓范圍達到±20％，而國家標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品電壓范圍為＋10％～－15％。

    交流伺服電機是數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一。過去主要靠進口，不僅價格昂貴，而且品種不全，供貨周期長。核心技術(shù)掌握在國外公司手里，系統(tǒng)技術(shù)改造也很困難,電機成本、類型和供貨期嚴(yán)重制約了數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為此，華中數(shù)控在2000年開始籌備自主研發(fā)交流伺服電機系列，投資組建了上海登奇機電技術(shù)有限公司，開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的GK6、GK7全系列永磁同步交流伺服電機和GM7系列交流伺服主軸。

    研制初期，大量參考了國內(nèi)外先進技術(shù)，包括德國西門子、日本安川、三洋、松下等電機的先進技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)用戶需求和市場需要，于2001年自行成功研發(fā)出GK6系列交流永磁同步伺服電機。該系列電機采用定子沖片疊壓外露結(jié)構(gòu)，無間隙直接散熱；采用超高內(nèi)稟嬌頑力稀土永磁材料形成氣隙磁場;自主研制的國內(nèi)唯一的電機轉(zhuǎn)子斜磁體整體充磁的生產(chǎn)工藝設(shè)備，保證所生產(chǎn)的伺服電機無磁粘結(jié)、減少損耗，降低磁場振動和噪音，具有更高的性能。采用整體加工工藝，電機振動小、轉(zhuǎn)動平穩(wěn)。目前產(chǎn)品額定扭矩為0.6～1000Nm，額定轉(zhuǎn)速為1000、1200、1500、2000、3000、6000r/min。該系列電機的成功推出，為華中數(shù)控和國內(nèi)其他數(shù)控企業(yè)提供了性價比很高、供貨及時、滿足個性需求的伺服電機配套。

    在成功研制出交流伺服電機并市場化的基礎(chǔ)上，為了更全面地與數(shù)控機床配套，于2004年研制開發(fā)了GM7系列交流變頻主軸電機。目前產(chǎn)品額定功率為2.2kW～100kW，采用F級特殊絕緣結(jié)構(gòu)，抗浪涌電流及電暈現(xiàn)象，壽命長，可靠性高；采用內(nèi)藏風(fēng)道，定子沖片碟壓一體式結(jié)構(gòu)，散熱效率高、體積緊湊；采用整體加工工藝和高精度動平衡技術(shù)，大大提高了高速、高精和可靠性運行能力。

    華中數(shù)控研制的交流伺服電機和交流變頻主軸電機，品種在國內(nèi)最齊全。在產(chǎn)量上，每年翻番，已具備達年產(chǎn)２萬臺的能力。2006年，華中數(shù)控申報的國家發(fā)改委“裝備國產(chǎn)化”專項：全數(shù)字伺服驅(qū)動與電機的產(chǎn)業(yè)化，已通過了專家評審，公司擬投資7000萬元，新建10000m2的伺服驅(qū)動和電機的生產(chǎn)廠，建成后擬達到年產(chǎn)10萬臺套伺服驅(qū)動與電機的能力。