我国伺服系统的规模化发展可以追溯到上世纪80年代中期。反应式、永磁式和混合式步进电机及其驱动器首先得到发展，步进伺服以开环控制的形式实现了速度和位置控制，步进电机用于频繁起停和正反转的场合。随后发展的开关磁阻电机借助磁极位置的检测，控制绕组的通电状态，实现了位置和速度的闭环控制。进入90年代，电流为方波或梯形波的无刷直流电机得到迅速发展，与开关磁阻电机类似，也需位置传感器或无传感器技术确定永磁磁极的位置，从而控制绕组电流的方向。与步进电机相比，这两种伺服电机的转距和运行范围有所提高，但位置分辨率较低，主要用于速度控制。上个世纪末至今，正弦波电流驱动的永磁同步伺服电机及其驱动技术，俗称正弦波电流无刷直流电机，引起我国学术界和产业界的关注和参与。永磁同步伺服电机的位置控制分辨率更高，转距波动小，运行范围广，是伺服控制中选用较多和较为理想的电机。到目前为止，步进伺服在我国的发展已经比较成熟，其价格、性能可以和国外同类产品媲美，产业界的应用也比较广泛，如简易数控机床、绣花机和雕刻机等机械中的送料机构。开关磁阻电机高速运行时的噪音限制了它的应用范围。方波无刷直流电机由于其速度响应特性优于异步电机，而且具备位置控制功能，可应用于上述机械的主轴驱动，近年还在电动自行车和健身器材中获得广泛应用。永磁同步伺服系统的开发在我国还处于起步阶段，达到其它伺服的发展程度尚需时日[1]。


     功率电子技术和微控制器技术**的日本和欧美等国对交流伺服技术的研发起步早，目前已发展成为相对成熟的伺服产品，其优良的通用性和众多的系列可以满足很多领域的使用要求。我国传统产业的升级换代以及新兴工业领域的出现，对交流伺服电机及其驱动器，特别是永磁同步伺服电机及驱动器的需求越来越大，但这类产品主要依赖进口，价格高昂，束缚了厂家的选用，整机性能难以提高，国内厂家和研究机构很难在短期内研制生产出同类产品。如何解决这一矛盾，正是本文关注和探求的问题。


     本文首先提出交流伺服运动系统的概念，将其控制结构分为集中控制式和分布控制式两种结构，意在从系统集成的角度，探索适合我国国情的技术开发路线，指出交流伺服运动系统目前应解决的技术问题，从而开发能够满足特定应用领域的交流伺服应用系统，促进交流伺服技术的研究和推广，直至开发出通用的交流伺服电机及其驱动器。*后通过开发实例，介绍了两种控制结构的设计方案。

交流伺服运动系统的两种控制结构


     交流伺服运动系统的组成如图1和图2所示。图中的驱动器和电机构成通常所说的交流伺服系统，而交流伺服运动系统的涵义更广泛，它还包括控制器、传感器、电磁铁等部件，协调完成特定的运动轨迹或工艺过程。




图1 交流伺服运动系统的集中控制结构

图2 交流伺服运动系统的分布控制结构


集中控制结构


     图1所示的是交流伺服运动系统的集中控制结构。图中交流电机的传感器通常为电流、位置、速度和温度等传感器，作为电机控制算法的输入量，运动机构的传感器取决于工艺过程的控制量，可以是位置、温度、压力、张力、流量、光等传感器。执行元件可以是交流电机，也可以是电磁铁、电磁阀等。控制器多采用工控机、可编程逻辑控制器(PLC)，或以单片机、DSP、ARM等微控制器为核心，配上键盘、旋钮、磁盘或通讯接口接受操作命令，数码管、液晶显示器件显示工作参数，灯光和声响装置作为报警和提示之用。


     集中式控制系统中，工艺软件或应用软件固化在控制器中，对接收到的命令信号及传感器信号进行运算、判断，以数字量或模拟量控制驱动器或功率开关，主、辅运动机构在交流电机及执行元件的驱动下完成特定运动。除控制器外，其它部件间没有电信号方面的联系，所有控制信号都来自控制器。


     集中式控制结构适用于简单的系统，以及比较成熟的驱动器和电机。简单系统中，驱动器中无微处理器，或微处理器的功能不足以胜任控制器的功能。对成熟的驱动器，其与控制器的接口比较方便，参数设置简洁，通用性强，用户只需正确选择驱动器和电机，开发自己的控制器，加快研发和产品化过程。这种结构对控制器的实时性要求较高，应具有强大的数据处理能力、丰富的输入输出口、适当的中断功能和定时器。


分布式控制结构


     图2所示的是分布式控制结构。与图1不同的是控制器和驱动器的功能发生了变化。控制器只起接受命令和显示工作参数的作用，以通讯方式与驱动器相连，工艺软件下移到驱动器中，驱动器不仅控制伺服电机，还要根据传感器信号和通讯获得的命令去控制功率开关。


     分布式控制结构适合于特种或新型系统的开发，驱动器中微处理器的功能较强，方案总设计者可在控制器和驱动器的两片微处理器间灵活分配功能，对控制器的要求降低很多，系统紧凑。一旦开发成功，就会形成具有自主知识产权的产品，系统价格可以降低，针对性强，获得同类应用领域较大的市场份额。从事分布式系统的开发人员应包括电机、驱动、控制、机械和应用工艺等方面的人员。

开发策略[3]


     根据我国现有条件，构成交流伺服运动系统的四部分依研制开发的技术难度从低到高依次为:控制器、电机、传感器和驱动器，应据此配置开发资源。以下分别加以阐述。
控制器


     硬件技术*成熟、实现*容易、见效*快。但目前使用较多的是PLC，也为进口产品，价格偏高，不利于形成具有我国自主知识产权的产品。如何用微控制器为核心组成的系统替代PLC，性能和可靠性可与之媲美，价格可以大大降低，这是硬件方面要解决的问题。软件除要针对不同应用领域建立简单易学的开发平台外，*好建立一套较为简洁通用的应用语言和算法;


电机


     以上种类的电机中，步进电机、开关磁阻电机和方波无刷直流电机经过十多年的发展已趋成熟。永磁同步伺服电机已进入发展期，愈来愈引起工业界的重视。单从电机本身来看，国内厂家完全具备与国外厂家竞争的能力，如设计能力、价格水平、制造工艺等。今后应对电机的结构、制造工艺、材料、电磁设计进行研究，适当时候制订相应的工业标准。初期对某些应用在特殊场合如低速大转矩、周期性变化的负载、势能负载、大惯量负载的电机应集中力量研制，这是市场上短缺的产品；


传感器


     传感器是控制系统中的主要元件，电机的磁场定向控制就需要电流和位置传感器，运动控制系统中还需要其它种类的传感器。我国虽能生产相当种类的传感器，但性能还有一定差距，对此应予以充分的重视。对于已有的传感器可以选用或集成，新型传感器则要研制开发;


驱动器


     驱动器是制约伺服运动系统工业化的瓶颈，主要原因有三部分:
一是复杂准确的电机模型难以在传统的单片机上实现，数字信号处理器(DSP)的出现为这个问题的解决迈了一大步，但DSP的普及程度还不够，控制算法目前要解决的实际问题包括磁极位置的检测、电机的低速运行或步进化运行、系统的快速响应等;
二是功率电子器件的可靠性及系统设计水平低下，智能功率模块(IPM)和专用智能功率模块(ASIPM)的发展，使一般技术人员也能从事小功率电子线路的设计，但对大功率电子线路的设计可靠性还应进行系统研究;
三是设计人员各自为战，形不成规模，技术难以积累沿续，如何建立一批精简高效的研制、开发和生产队伍，也是急需探讨的课题。


      从运动控制的性能要求和市场发展方向来看，永磁同步伺服电机及驱动器起着至关重要的作用，它是交流伺服运动系统中技术难度*高的部分，是开发交流伺服运动系统的突破口，它的成功开发可将其技术演化到其它种类的电机和驱动器上，起到事半功倍的效果。

设计实例


     工业缝纫机是交流伺服运动系统的潜在应用领域之一，2004年度生产工业缝纫机470多万台[4]，采用伺服电机的整机不到5%，其余的仍采用离合器调速的感应电机。造成这种局面的原因有两方面，一是进口的伺服系统价格太高，二是国产的伺服运动系统还在产品化过程中。
工业缝纫机用的伺服系统主要特点:
运行范围宽(200～ 6000r/min);
速度响应快，带负载启动到*高速约为100ms;
位置精度相对较低，±3°以内;
待机状态电磁转距为零，以便操作者自由盘转。


平缝机


     平缝机是工业缝纫机的主要机种，占总量的90%以上，应用伺服电机可提高自动化水平，扩展缝纫功能。其中的内置式伺服运动系统包括一套永磁同步伺服电机及驱动器，带动针杆机构作往复运动，根据针杆位置即电机的转子位置，触发相应电磁铁动作，完成剪线、拨线、松线、倒缝、抬压脚等功能。图3(a)所示的为集中式控制结构。键盘为4×4阵列，占8个输入口。3位译码信号经译码器输出8位锁存信号，锁存8位七段数码管的显示数据。2位片选信号和1位时钟用以锁存14个指示工作状态的发光二极管。7位数据线传递显示数据和二极管的开关状态。5个电磁铁的功率开关需5个输出口线控制。控制缝纫工艺的脚踏板位置信号为4位二进制信号，构成16种控制状态。3位针杆位置信号来自电机轴端的编码器，为两路正交方波信号和一路零位脉冲。速度位置信号为脉冲方式，若编码器每转的脉冲数为512个，电机运行在5000 r/min时的脉冲频率为42.7kHz。图3(b)所示的为用于驱动器的DSP实现的功能，2路电流采样信号和3路编码器信号是磁场定向控制的输入量，6路PWM信号控制三相逆变器的功率器件。控制器若选用常见的单片机作为微控制器，需扩展很多外围芯片，采用DSP变得很简洁，因为其大部分引脚可作为一般的输入输出口使用，而且运算速度很快。驱动器采用DSP除了其很快的运算速度外，还在于其内嵌的事件管理器和模数转换器，与事件管理器相关的正交脉冲和PWM电路，是电机数字化控制不可或缺的功能。

 (a) 集中控制结构的控制器功能

(b) 集中控制结构的驱动器功能
     图4所示的是分布式控制结构的设计方案，图3中控制器担负的部分功能，如脚踏板位置信号的接收、控制速度位置的脉冲信号、电磁铁的触发信号，由驱动器完成，这部分实时性很高的功能移植后，增强了系统的可靠性。分布式控制方案中，控制器与驱动器仅通过串行通信的接口���系，控制器只需完成键盘、显示、数据通信等一般功能，常见的微处理器即可胜任。

 
(a) 分布控制结构的控制器功能

(b) 分布控制结构的驱动器功能

图4 分布控制结构的DSP实现
     图5所示的是分布式控制系统中控制器的电路板，实现了图4(a)规定的功能。便于两种控制结构的对比，微控制器仍选用DSP，板上配置了4×4的键盘接口，8位数码管，232或485通信接口。如重新定义键盘面板的符号或名称，就可在其它种类的机器上使用，增强了通用性。图6所示的是永磁同步伺服电机驱动器控制部分的电路板。按照图4(b)的设计要求，设计了6路PWM控制信号，2路电流采样通道，3路正交编码器接口，4路数字输入口，5路数字输出口，以及和上位机的通信接口。


图5 交流伺服运动系统的控制器板

图6 永磁同步伺服电机驱动器的控制板 
     图7是用于平缝机和套结机的永磁同步伺服电机，输入电压190V到240V，额定功率分别为375W和550W，空载调速范围从10 ～6000 r/min，工作范围从200rpm ～3000 r/min。面装式磁钢结构保证电机能以高的功率因数运行。分数槽绕组有效地抑制了齿谐波，减小了振动和噪声。较低的转矩波动，使缝纫机有宽广的速度调节范围，并能快速准确停车。图8为安装375W伺服电机的平缝机。


图7 375W和550W永磁同步伺服电机

图8 安装永磁同步伺服电机的平缝机
    结论


     交流伺服运动系统这一概念的提出、两种控制结构的划分与比较、开发策略的探讨，有助于加快我国对交流伺服技术的研究和推广应用，并*终制造通用的交流伺服电机和驱动器。特别指出的是，我国的永磁同步伺服系统开发还处于起步阶段，采用分布式控制结构，可以加快该类系统的开发及早日应用，形成自主知识产权的产品，同时奠定通用伺服电机及驱动开发基础。文中所介绍的工业缝纫机交流伺服运动系统只是这一概念在具体应用领域的体现，对其它领域也可起到借鉴作用。