发展我国伺服驱动产业的探讨

   作为数控机床的重要功能部件，伺服驱动装置的特性一直是影响数控机床加工性能的重要指标。围绕伺服驱动装置的动态特性与静态特性的提高，近年来国内外发展了多种伺服驱动技术。可以预见，随着高速切削、超精密加工、网络制造等先进技术的发展，具有网络接口的全数字交流伺服驱动系统、直线伺服系统及高速电主轴等成为机床行业的关注热点，并成为伺服驱动系统的发展方向。

    一、交流永磁同步伺服驱动装置

    伺服驱动技术经过了直流伺服装置、直流无刷伺服装置和交流永磁同步伺服驱动装置三个阶段。随着现代制造业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，交流永磁同步伺服驱动装置具有高响应、免维护(无炭刷、换向器等磨损元部件)、高可靠性等特点。它采用微处理技术、大功率高性能半导体功率器件技术、电机永磁材料制造工艺和具有较好的性能价格比，成为工业领域实现自动化的基础技术之一。

    从2005年德国汉诺威展览会，可以看到伺服驱动装置的两个发展趋势：

    1. 全数字化

    全数字化是未来伺服驱动技术发展的必然趋势。全数字化不仅包括伺服驱动内部控制的数字化，伺服驱动到数控系统接口的数字化，而且还应该包括测量单元数字化。因此伺服驱动单元内部三环的全数字化、现场总线连接接口、编码器到伺服驱动的数字化连接接口，是全数字化的重要标志。

    随着微电子制造工艺的日益完善，采用新型高速微处理器，特别是数字信号处理器—DSP技术，使运算速度呈几何级数上升。伺服驱动内部的三环控制(位置环/速度环/电流环)数字化是保证伺服驱动高响应、高性能和高可靠性的重要前提。伺服驱动所有的控制运算，都可由其内部的DSP完成，达到了伺服环路高速实时控制的要求。一些产品还将电机控制的外围电路与DSP内核集成于一体，一些新的控制算法速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。

    伺服驱动传统的模拟量控制接口，容易受到外部信号干扰，传输距离短。我国目前伺服驱动装置上大量采用的脉冲式控制接口，也不是真正意义上的数字接口。这种接口受脉冲频率的限制，不能满足高速、高精控制的要求。而采用现场总线的数字化控制接口，是伺服驱动装置实现高速、高精控制的必要条件。因此，近年来外国公司纷纷推出各自的数字接口协议和标准，如日本发那科公司推出串行伺服总线(FSSB)，德国西门子公司推出Profibus-DP总线，日本三菱推出CC-link总线，德国力施乐推出SERCOS总线。

    全数字化已经延伸到测量单元接口的数字化。德国HEIDENHAIN将各种类型的编码器，如绝对、增量式和正余弦编码器的细分功能，都统一到EnDae2.2编码器连接协议中。细分过程在编码器内部完成，再通过数字接口和伺服驱动连接起来，这才是真正的全数字化。

    2. 高性能

    表现为高精度、高动态响应、高刚性、高过载能力、高可靠性、高电磁兼容性、高电网适应能力、高性价比。

    在2005年汉诺威展览会上，日本发那科推出了HRV4伺服控制控制技术。伺服HRV4继承并进一步发展了HRV3的优点，具有如下特点：在任何时刻，均采用纳米层次的位置指令，使用1600万/转的αi 高分辨率的脉冲编码器，可以实现纳米精度的伺服控制；HRV4超高速伺服控制处理器，所控制的电机转速可以达到60000r/min；HRV4控制算法，可使得伺服电机的最大控制电流减少50％，并减少电机发热17％，因此，伺服驱动装置可以获得更高的刚性和过载能力。

    各公司对伺服的动态特性更加关注。如海德汉公司在2005年汉诺威展览会上，展示了不同分辨率的编码器对扭矩脉动的影响，揭示了提高编码器分辨率，可以大大减少伺服驱动的转矩脉动。

    电子电力技术的发展，使得伺服系统主电路功率元件的开关频率由2～5kHz提高到10kHz以上，大功率绝缘栅门双极性晶体管(IGBT)和智能控制功率模块(IPM)等先进器件的采用，大大减少了伺服驱动器输出回路的功耗，提高了系统的响应速度和平稳性，降低了运行噪音。这些不仅为交流伺服全数字化、高速度、高精度奠定了基础，还使得交流伺服系统趋于小型化。

    二、直接驱动技术(Direct Drive)

    大推力直线伺服驱动装置、大转矩力矩伺服驱动装置与传统的螺旋传动方式相比，直接驱动技术最大特点是取消了电动机到移动/转动工作台之间的一切机械传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式，带来了螺旋传动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10～20倍，进给速度是传统的4～5倍。

    直接驱动技术是高速高精数控机床的理想驱动模式，受到机床厂家的重视，技术发展迅速。近年来，国际上几十家公司展出了直线电动机驱动的高速机床，一些制造厂商已将机床运动加速度提高到2～3g，快速移动速度提高到150～240m/min。MAZAK公司将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切削速度8马赫，主轴最高转速80000r/min, 快速移动速度500m/min, 加速度6g。这标志着，以直线伺服为代表的第二代高速机床，已克服了直线电机的发热、防护和成本高的缺点，逐步走向实用。

    2005年底，作者参观了日本森精机的工厂，印象最深的是:森精机的机床产品上已大量使用自制的大转矩力矩伺服驱动装置。与传统的蜗轮蜗杆传动相比，大转矩力矩伺服驱动装置使得机床的回转轴的结构大大简化，转台的转速大大提高，动态响应大大提高。

    三、高速电主轴

    电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物。它将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件内部，电动机的转子即为主轴的旋转部分，由于取消了齿轮变速箱的传动与电动机的连接，实现了主轴系统的一体化、“零传动”。因此，其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床动平衡，避免振动和噪声，在超高速机床上得到了广泛的应用。电主轴的驱动一般使用矢量控制的变频技术。

    国外高速加工主轴转速一般在12000～25000r/min, 最高达70000～80000r/min。

    四、我国伺服驱动系统的现状

    我国在20世纪80年代初期通过引进、消化、吸收国外先进技术，又在国家“七五”、“八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技攻关，取得了一定成果。

    上世纪80年代，我国曾花巨资引进西门子的伺服驱动技术。但由于其引进的技术属淘汰的落后技术，自主的消化吸收没有突破，导致没有实现产业化。惨痛的历史教训使大家明白了一个硬道理：对于伺服驱动这样的战略高技术，靠花钱引进根本办不到；盲目效仿国外，也只会落后挨打，受制于人；唯一的出路，就是走自主创新之路。

    华中科技大学是我国自主创新的伺服驱动技术的发源地之一。“八五”期间，华中科技大学的自控系和电力系分别开始了伺服驱动的研发工作。1996年，自控系与华中数控合作，共同研制基于单片机的模拟数字混合式(电流环是模拟量)交流伺服驱动和主轴驱动(HSV-9系列)，后来又开发了基于DSP的全数字交流伺服驱动装置(HSV-16/18/20)并投入大批量生产。到目前为止已累计生产销售30000多台，被评为国家攻关重大成果和国家重点新产品。华中科技大学电力系与广州数控、上海开通数控合作，研制的伺服驱动技术也已实现产业化。

    北京航天数控公司生产的DSCU系列全数字伺服控制单元和DSSU系列全数字主轴控制单元、北京凯奇数控设备成套有限公司生产的全数字伺服控制单元和全数字主轴控制单元及电机也已经得到了大规模应用，进给伺服功率范围20W～7.5kW，主轴伺服功率范围3.5kW～22kW，可以满足企业实际需要。

    北京时光科技公司自主研发的“全数字化交流伺服控制技术”，采用32位微处理器为基础的系统级芯片和智能化功率器件，成功实现了对三相交流异步电机（鼠笼式电动机）的高精度伺服控制。基于此项技术研制生产的IMS系列伺服控制器可通过编程方式，灵活、准确地对电机的位置、转速、加速度和输出转矩实现高精度控制，其产品能广泛应用于机床、电梯、包装机械、印刷机械、塑料机械、搬运机械、电动车及自动化生产线等各种领域，用户反映良好。

  从2003年开始，我国的经济型数控系统从配用步进驱动装置，开始大规模改用伺服驱动装置。中国人自主创新的伺服驱动技术为促使我国数控系统产业的升级，立下了汗马功劳，伺服驱动产业也取得了很大进步。

    目前，我国伺服驱动系统的产品性能、产品可靠性方面，与国外产品还存在一定差距。特别是在全数字化的高性能伺服驱动技术方面，与国外名牌企业仍存在较大的差距，已成为制约我国发展中高档数控系统产业的“瓶颈”问题。

    五、华中数控伺服产品和技术特色

    华中数控公司自成立以来，一直与华中科技大学控制科学与工程系在伺服产品的开发方面紧密合作。率先在国内开发成功基于微处理器的HSV-9交流伺服驱动装置并批量生产和销售。后来，承担国家“十五”攻关项目“全数字交流伺服驱动系统和交流主轴伺服控制系统的研究开发与应用”、国家“十五”863项目“EQ6110HEV混合动力城市公交车用电机及其控制系统”、国家技术创新项目“全数字智能化交流进给驱动单元”和中小企业创新基金项目“高性能伺服驱动系统工程化研究”等7项国家级项目的研发任务。

    华中数控近年来开发了具有自主知识产权的系列交流伺服驱动单元和交流伺服电机。

    HSV-16系列全数字交流伺服驱动单元

    作为一种新型产品，它进一步提高和完善了产品性能。驱动器的硬件环境为:高性能马达控制专用数字信号处理器(DSP)+大规模现场可编程逻辑阵列(FPGA)+智能功率模块(IPM);操作简单、可靠性高、体积小巧、易于安装。具有自测试、自诊断功能，且对短路、过流、过压、欠压、泵升、过热等多种故障情况具有完善的软、硬件保护功能。

    HSV-18D系列全数字交流伺服进给驱动单元和主轴单元

    采用当今最新技术设计，交流380V直接供电，可实现多种交流电机，包括交流永磁同步电机、无刷直流电机、交流感应电机(交流异步电机)的转矩、速度、位置闭环或全闭环控制。

    为了提高产品的可靠性，面对国内用户使用环境恶劣的现状，华中数控的伺服驱动装置的企业标准是按欧洲四级电磁兼容性的指标制订的，比国家标准(欧洲三级电磁兼容性)的技术指标高出一倍。华中数控产品适用的电压范围达到±20％，而国家标准要求的产品电压范围为＋10％～－15％。

    交流伺服电机是数控系统关键部件之一。过去主要靠进口，不仅价格昂贵，而且品种不全，供货周期长。核心技术掌握在国外公司手里，系统技术改造也很困难,电机成本、类型和供货期严重制约了数控系统产业的发展。为此，华中数控在2000年开始筹备自主研发交流伺服电机系列，投资组建了上海登奇机电技术有限公司，开发自主知识产权的GK6、GK7全系列永磁同步交流伺服电机和GM7系列交流伺服主轴。

    研制初期，大量参考了国内外先进技术，包括德国西门子、日本安川、三洋、松下等电机的先进技术，结合国内用户需求和市场需要，于2001年自行成功研发出GK6系列交流永磁同步伺服电机。该系列电机采用定子冲片叠压外露结构，无间隙直接散热；采用超高内禀娇顽力稀土永磁材料形成气隙磁场;自主研制的国内唯一的电机转子斜磁体整体充磁的生产工艺设备，保证所生产的伺服电机无磁粘结、减少损耗，降低磁场振动和噪音，具有更高的性能。采用整体加工工艺，电机振动小、转动平稳。目前产品额定扭矩为0.6～1000Nm，额定转速为1000、1200、1500、2000、3000、6000r/min。该系列电机的成功推出，为华中数控和国内其他数控企业提供了性价比很高、供货及时、满足个性需求的伺服电机配套。

    在成功研制出交流伺服电机并市场化的基础上，为了更全面地与数控机床配套，于2004年研制开发了GM7系列交流变频主轴电机。目前产品额定功率为2.2kW～100kW，采用F级特殊绝缘结构，抗浪涌电流及电晕现象，寿命长，可靠性高；采用内藏风道，定子冲片碟压一体式结构，散热效率高、体积紧凑；采用整体加工工艺和高精度动平衡技术，大大提高了高速、高精和可靠性运行能力。

    华中数控研制的交流伺服电机和交流变频主轴电机，品种在国内最齐全。在产量上，每年翻番，已具备达年产２万台的能力。2006年，华中数控申报的国家发改委“装备国产化”专项：全数字伺服驱动与电机的产业化，已通过了专家评审，公司拟投资7000万元，新建10000m2的伺服驱动和电机的生产厂，建成后拟达到年产10万台套伺服驱动与电机的能力。

    华中数控还根据市场需要，开发了多种有专用伺服产品。研制的大功率伺服驱动已用于重庆某厂的摆式列车车厢平衡系统。研制的开关磁阻电机控制器应用于武汉市城市混合动力电动公交车上;与德国某公司合作生产的工业缝纫机驱动系统已批量销售。GK6、GM7伺服主轴电机已批量与我国某著名的注塑机生产厂家的全电动注塑机配套。输出扭矩达1000Nm的伺服驱动已用于鄂州机床厂开发的我国第一台电动螺旋压力。

    六、发展我国伺服产业驱动系统产业的建议

    作为数控机床的重要功能部件，伺服驱动和伺服电机是影响数控系统性能的重要功能部件。伺服驱动和伺服电机的成本占到数控系统的总成本的1/2～3/4，因此，是否掌握自主的伺服驱动和伺服电机技术，是决定一个数控系统厂的市场综合竞争力的决定性因素。伺服驱动涉及大功率强电控制，是可靠性的薄弱环节和瓶颈。纵观国外成功的数控系统企业，都有自主的伺服驱动技术自我配套能力。发展我国自主的伺服驱动技术和产业刻不容缓。建议如下：

    1. 大力加强伺服驱动装置的生产工艺技术的研究

    在国家863计划、科技部中小型企业创新基金和国家“十五”攻关成果基础上，我国的伺服驱动装置的控制平台技术已经基本成熟。产品化攻关重点是可靠性设计和可靠性保证措施、产品结构和系列化设计、大批量生产工艺研究，使产品能满足国家相关标准要求，满足市场急剧增长的需求，扩大国产伺服驱动装置的市场占有率。

    2. 开展高性能伺服驱动装置的性能测评和改进技术研究

    加大对伺服驱动装置测试手段的投入，开展伺服驱动的性能测评，以独立、客观、科学、实用的技术测试为依据，为我国伺服驱动技术的发展提供清晰的技术趋势，把握真实的产品资料及合理的采购建议。

    在此基础上，支持国内企业开展高性能伺服驱动装置的开发。缩小与国外高性能伺服驱动产品在高精度、高动态响应、高刚性、高过载能力、高可靠性、高电磁兼容性、高电网适应能力、高性价等方面的技术差距，提高我国产品的可靠性。

    3. 制订伺服驱动和数控系统的数字化接口的中国标准

    以数控系统和伺服驱动的数字化接口规范和标准这一共性技术为纽带，形成国内数控系统产业的合作和联盟，发挥各自的优势，缩短开发周期、降低开发费用、形成相互配套，形成合力与国外数控系统厂商竞争，增强我国数控机床和数控系统在国际市场上的竞争力。同时，掌握了数控系统和伺服驱动的数字化接口协议与标准的话语权，才能提高我国在国际标准化组织的地位，起到规范国内数控市场，影响国际数控公司，建立保护我国数控系统产业发展的技术壁垒。可以缩小我国数控系统行业与国外的技术差距，改变目前国内数控系统厂商之间的低价格、低水平竞争的状况。

    加大投入开发大推力直线伺服驱动装置、大转矩力矩伺服驱动装置和高速主轴驱动装置。

    直接伺服驱动技术是未来伺服驱动技术发展的方向。数控机床采用直接伺服驱动技术，虽然省去中间变换环节，实现所谓“零传动”，系统结构具有更加的合理性，但是作为一种新的应用技术还面临许多现实的技术难题。诸如控制系统对参数摄动、负载扰动等许多不确定因素的抗干扰问题、伺服电动机的强制散热问题、系统快速吸能制动问题及严格防尘隔磁措施等，所有这些实际问题有待于进一步解决和技术的进一步完善。