伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機借衅，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確粥航，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。在自動控制系統(tǒng)中生百，用作執(zhí)行元件递雀，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類蚀浆，其主要特點是缀程，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降箍伏。

　　伺服驅(qū)動電機技術(shù)在數(shù)控機床行業(yè)的應(yīng)用 

　　伺服驅(qū)動電機技術(shù)是數(shù)控機床裤狱、工業(yè)機器人及其它產(chǎn)業(yè)機械控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，在普遍受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用哭夺。在20世紀最后10年間量奸，微處理器(特別是數(shù)字信號處理器——DSP)技術(shù)、電力電子技術(shù)卷撞、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)澄璃、控制技術(shù)的發(fā)展為伺服驅(qū)動技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。如果說20世紀80年代是交流伺服驅(qū)動技術(shù)取代直流伺服驅(qū)動技術(shù)的話盐文，那么圣翅，20世紀90年代則是伺服驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化、智能化咏摔、網(wǎng)絡(luò)化的10年握饼，尤其是在日本、歐美等機械水平發(fā)達的國家和地區(qū)昙百。

　　伺服驅(qū)動電機技術(shù)國外發(fā)展現(xiàn)狀分析

　　無人化诡泌、規(guī)模化生產(chǎn)對加工設(shè)備提出了高速度啄枕、高精度婚陪、高效率的要求，交流伺服系統(tǒng)具有高響應(yīng)频祝、免維護(無碳刷泌参、換向器等磨損元部件)、高可靠性等特點常空，正好適應(yīng)了這一需求沽一。例如盖溺，日本FANUC公司、三菱電機公司铣缠、安川電機公司烘嘱、德國Siemens公司、AEG公司攘残、力士樂Indramat公司拙友、美國A.B公司为狸、GE公司等均先后在1984年前后將交流伺服系統(tǒng)付諸實用歼郭。國內(nèi)的交流伺服驅(qū)動技術(shù)起步較晚，到20世紀80年代末才有產(chǎn)品問世臭膊。如冶金部自動化研究院華騰公司的ACS系列盆扳、揚州5308廠引進Siemens公司的610系列，這些產(chǎn)品采用大功率晶體管模塊(GTR)栏赋，屬于模擬伺服俭整，但從技術(shù)上填補了國內(nèi)空白。 

　　進入20世紀90年代仙衩，微電子制造工藝的日臻完善妄由，使得DSP運算速度呈幾何數(shù)上升，達到了伺服環(huán)路高速實時控制的要求篇挡，一些運動控制芯片制造商還將電機控制所必需的外圍電路(如A/D轉(zhuǎn)換器像淋、位置/速度檢測倍頻計數(shù)器、PWM發(fā)生器等)與DSP內(nèi)核集成于一體报葬，使得伺服控制回路采樣時間達到100μs以內(nèi)语雇，由單一芯片實現(xiàn)自動加、減速控制挺久，電子齒輪同步控制磨涵，位置、速度乳规、電流三環(huán)的數(shù)字化補償控制形葬。一些新的控制算法如速度前饋、加速度前饋暮的、低通濾波笙以、凹陷濾波等得以實現(xiàn)。

　　另一方面青扔，電力電子技術(shù)的發(fā)展源织，使得伺服系統(tǒng)主電路功率元件的開關(guān)頻率由2～5kHz提升到15～20kHz，1GBT(絕緣柵門雙極性晶體管)及IPM(智能型功率模塊)均是這一時代的產(chǎn)物微猖，從而提高了系統(tǒng)的平穩(wěn)性谈息，降低了系統(tǒng)的噪音缘屹。以上兩個方面不僅是交流伺服實現(xiàn)數(shù)字化的基礎(chǔ)，而且使得交流伺服趨于小型化侠仇。目前一些工業(yè)發(fā)達國家的伺服系統(tǒng)生產(chǎn)廠家基本上均能夠提供全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)或者可以與自己的CNC系統(tǒng)相配套轻姿，如日本FANUC公司、三菱電機公司逻炊、安川電機公司祷骂、松下公司、山洋電機公司嗅呻、德國Siemens公司藤习、力士樂Indramat公司、Lenze公司导劝、美國A.B公司第粟、Kollmorgen公司、Relliance公司齐皂、Baldor公司协颅、Pacific Scientific公司等。 

　　全數(shù)字交流伺服技術(shù)的飛速發(fā)展仅汰，使得用戶根據(jù)負載狀況(如慣量簇娩、間隙、摩擦力等)調(diào)整參數(shù)更為方便蝉站，也省去了一些模擬回路所產(chǎn)生的漂移等不穩(wěn)定因素货裳，但在發(fā)展初期，伺服接口缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)奕枝，各個廠家均設(shè)計自己的接口電路棺榔，相互之間無可互換性，用戶適配較為麻煩隘道。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及PC-based CNC技術(shù)快速發(fā)展的情況下症歇，這一問題尤為突出。 

　　在1987年谭梗，由德國機床協(xié)會和德國電力電子協(xié)會聯(lián)合提出數(shù)字驅(qū)動接口國際標(biāo)準(zhǔn)忘晤，即SERCOS(SerialReal-time Communication System串行實時通信系統(tǒng))接口作為高性能運動控制系統(tǒng)閉環(huán)數(shù)據(jù)串行實時通信接口，這兩個協(xié)會將電機激捏、驅(qū)動系統(tǒng)设塔、CNC系統(tǒng)的主要制造商組成一個聯(lián)合工作組。最初加入SERCOS工作組的公司有AEC远舅、ABB闰蛔、AMK、Banmuller图柏、Bosch序六、Indramat任连、Siemens、Pacific Scientific等幾家公司拒吧。到了1994年划疟，SERCOS成為控制器與數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)接口的國際標(biāo)準(zhǔn)并作為IEC61491標(biāo)準(zhǔn)獲得通過，因此具有開放性描蹦，迄今成員已增加到70多個公司苦恶，開發(fā)了相應(yīng)的ASIC芯片、SERCON816仆阶，傳輸速度為2/4/8/16 Mbit/s筝踢，SERCOS與其它串行現(xiàn)場總線相比，有效數(shù)據(jù)傳輸率高菠山，例如Ethement以100Mbit/s速度傳輸數(shù)據(jù)時哮互，有效數(shù)據(jù)傳輸率為5～10Mbit/s臣镜；SERCOS以16Mbit/s速度傳輸數(shù)據(jù)時乙错，有效數(shù)據(jù)傳輸率為11Mbit/s。

　　CAN(controller Area Network)用于運動控制時洁馒，必須提供額外的存儲緩沖器及信號管理資源贾悬，其成本大約是SERCOS接口的2倍，另一個特點是它的光纖噪聲抑制能力強柱锹、傳輸可靠性高哪自。雖然SERCOS接口初終是為CNC與數(shù)字伺服接口而開發(fā)，迄今已被廣泛應(yīng)用于通用運動控制器與數(shù)字伺服之間的接口禁熏。目前已能滿足在2ms內(nèi)壤巷，使一臺控制器與多達32個伺服系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。SERCOS為數(shù)字伺服網(wǎng)絡(luò)化鋪就了一條寬闊大道瞧毙，可以預(yù)見胧华，在不遠的將來，帶有SERCOS接口的伺服系統(tǒng)將會進入家庭宙彪、辦公室矩动、工廠車間乃至各個與伺服應(yīng)用相關(guān)的領(lǐng)域。

　　力士樂Indramat公司在1999年之所以占據(jù)北美伺服驅(qū)動市場10.5%的份額释漆、位居第一位悲没，一方面是該公司在應(yīng)用工程、銷售男图、服務(wù)及用戶支持方面的加強示姿，另一個主要因素是承諾開放結(jié)構(gòu)——SERCOS。 

　　輕質(zhì)(如銅揭凭、木材源快、鋁合金等)梯俘、復(fù)合材料在汽車、家電坞龙、AF 業(yè)中的大量使用霎挚，對高速、高效加工提出了新的要求蚀稻。為了適應(yīng)這一需求骗早，一些工業(yè)發(fā)達國家相繼推出直線電機、高速主軸電機府塘，而且付諸實用爪撤。對于直線電機而言，其控制技術(shù)與傳統(tǒng)的交流伺服電機相差不多棚疏，但由于直線電機本身沒有轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)動體网燃，因而本身慣量小，所以具有高動態(tài)響應(yīng)性继溯，而檢測元件直接安裝于機械一側(cè)雄炕，從而檢測工作臺的位移，也避免了旋轉(zhuǎn)電機在方向改變時所存在的換向間隙需忿，滿足了高速诅炉、高精密加工對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求。

　　從IMTS’2000展覽會來看屋厘，一些工業(yè)發(fā)達國家在高速加工技術(shù)方面處于領(lǐng)先水平涕烧，IBAG公司已向業(yè)界提供0.125～185kW，最高轉(zhuǎn)速為14,000r/min的系列化高速內(nèi)裝式主軸系統(tǒng)汗洒，徑向议纯、軸向重復(fù)精度小于1μm，電機軸承有混合陶瓷軸承溢谤、液靜壓軸承瞻凤、磁浮軸承三種，采用水管冷卻溯香，且內(nèi)置位置傳感器供加工中心ATC之用鲫构。主軸驅(qū)動采用矢量變頻技術(shù)，已在模具加工玫坛、高精密電極加工结笨、鋁質(zhì)零件加工、高精度磨削加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用傅慈，F(xiàn)isher公司也有類似產(chǎn)品蹦虏。

　　伺服驅(qū)動電機技術(shù)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀分析

　　我國在20世紀80年代初期通過引進、消化碘淘、吸收國外先進技術(shù)刮血，又在國家“七五”款腥、“八五”、“九五”期間對伺服驅(qū)動技術(shù)進行重大科技項目攻關(guān)取得了很大成果颂鞭。但由于產(chǎn)品可靠性等方面的原因综翠，制約著我國數(shù)控機床的配套及應(yīng)用，從而影響我國裝備制造業(yè)的發(fā)展刑袒。一些機床廠家也不得不選用國外的伺服系統(tǒng)涤墙，使得國產(chǎn)數(shù)控機床在價格、交貨期程悼、可靠性等方面均不占優(yōu)勢惯缚，更無心力開發(fā)市場需求的新品種，從而失去巨大的市場份額诬像。從公開的統(tǒng)計資料來看屋群，CNC系統(tǒng)中75%以上的故障出自伺服部分。 

　　然而坏挠，近年來在國家不斷組織科技攻關(guān)的同時芍躏，一些民營高科技公司也為發(fā)展我國伺服驅(qū)動技術(shù)注入了新的活力。例如北京中寶倫自動化技術(shù)有限公司在國家沒有投入一分錢的情況下癞揉，以市場為導(dǎo)向纸肉，不斷開發(fā)新產(chǎn)品，1994年開發(fā)成功PDC系列直流伺服系統(tǒng)喊熟，扭矩從1N?m至44.1N?m共有七個規(guī)格的寬調(diào)速直流伺服電機，采用國際上最新一代的功率器件——IPM姐刁、PWM控制芥牌，調(diào)制頻率達到15kHz，有效地克服了以往SCR控制時電流斷續(xù)所產(chǎn)生的換向火花對于換向器的燒蝕聂使，可使碳刷壽命延長1倍以上壁拉。

　　1997年底該公司又開發(fā)成功PAC系列交流伺服系統(tǒng)，與蘭州電機廠引進德國Siemens公司1FT5系列的94個規(guī)格的無刷交流伺服電機相配套柏靶。轉(zhuǎn)速系列有1,200r/min弃理、2,000r/min、3,000r/min铛田、4,000r/min挂蹦、4,500r/min、6,000r/min嚣历，扭矩范圍0.15～90N?叼叙；2000年11月又根據(jù)市場需求，開發(fā)出PAC-P系列數(shù)字化位置型交流伺服系統(tǒng)盟挤。這些產(chǎn)品推向市場后么酪，取得了很好的社會效益及經(jīng)濟效益掌范，得到北京第一機床廠、清華大學(xué)精密儀器廠长尼、青海第一機床廠等廠家認可睦键，與XA5750滑枕銑床、XA718立式銑床瞻替、XA2412/2410龍門銑床和XKA5032數(shù)控立式銑床铝框、數(shù)控異型螺桿銑床、XKA8132/8140數(shù)控銑床等配套磁携。

　　除此之外褒侧，伺服電機驅(qū)動技術(shù)也應(yīng)用于復(fù)合材料成型機械、汽車子午胎一段谊迄、二段成型及裁斷機械闷供、衛(wèi)星風(fēng)洞群控制、電子元件材料切割统诺、編帶等領(lǐng)域歪脏。目前，近200臺應(yīng)用于國內(nèi)各大汽車子午胎生產(chǎn)線粮呢，每日24h連續(xù)運行婿失。除在國內(nèi)應(yīng)用外，從1997年開始啄寡，該公司部分產(chǎn)品由北京第一機床廠配套出口到德國豪硅、加拿大、澳大利亞等國家挺物。從1994年至今售出將近1000臺套交/直流伺服系統(tǒng)懒浮，幾年來無一臺返修，根據(jù)該公司記錄數(shù)字來看盘胯，只有8臺均由于用戶接線錯誤而導(dǎo)致保險電阻删广、電源回路及接口元器件燒壞。使用中寶倫產(chǎn)品的用戶改變了對于國產(chǎn)伺服系統(tǒng)可靠性不好的看法刚驶。

　　華中數(shù)控系統(tǒng)有限公司剩知、珠峰數(shù)控公司、航天數(shù)控公司牙吼、中科院電工所等單位通過實施國家科技項目攻關(guān)瞭剧，已能夠向各機床制造廠配套自身數(shù)控系統(tǒng)所需要的伺服系統(tǒng)，還應(yīng)用于一些老設(shè)備技術(shù)改造育需。洛陽軸承研究所自主研發(fā)高速電主軸恕且，已應(yīng)用于軸承磨床、印刷電路板銑、鉆等方面吩欣。

　　上海和懋?dāng)?shù)控設(shè)備有限公司從2004年開始蛛最，與北京、上海恋瞳、武漢等多家公司及科研機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)了用于中走絲線切割機床的伺服電機磨镶，經(jīng)過嚴格的測試，終于在2007年投入使用了第一臺中走絲伺服電機健提，該電機經(jīng)過用戶的檢驗琳猫，故障率極低，3年穩(wěn)定無故障私痹，基本達到了歐美同類產(chǎn)品的先進水平脐嫂。

　　可以說，伺服電機的研發(fā)和應(yīng)用紊遵，是和懋中走絲成功的第一步账千。

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