全数字高精智能型伺服总控系统发展趋势

引言
全数字高精智能型伺服总控系统设计遵循iec系列国际标准，满足iso国际标准，运用目前世界上最先进的可编程计算机控制器（pcc）与先进伺服驱动系统 实现整个系统功能。系统按分布式结构设计，采用开放系统，分层控制等先进的计算机设计思想，将先进伺服驱动控制技术，现场总线技术，计算机技术，通信和网 络技术，数据库技术，图形和图像技术，多媒体技术，数据采集和可编程控制技术有机地结合在一起，这套控制系统以其先进的总线型多轴运动控制，分时多任务高 速的运算处理能力演绎了自动化系统的完美强大，完全满足近期一切功能要求，设计理念超越了对控制系统的普通理解，充分考虑了系统的扩充性和远期发展，具有 前瞻性。整个系统具有技术水平先进、自动化程度高，操作简单、显示直观、调节性能稳定、运行可靠、抗干扰能力强、维护方便等优点。
全数字高精智能型伺服总控系统中工业级控制显示操作站选用人机界面触摸式图文控制显示单元：一体化嵌入式工业控制计算机，这种嵌入式系统为机器的运行和监 视设立了一个新的标准。这种产品是在电源、功能、安全操作等方面达到新水平的一个自动控制系统，系统应用范围广泛。它完全地集成了监控设备所需的一切功 能，体现了最优性能和最小尺寸的最佳组合。嵌入式工控机有专用嵌入式操作系统，在这个操作系统上使用c语言或者basic高级语言编程，可以实现丰富多彩 的功能。软件开发工具能够实现显示、控制、驱动和通信任务的简单配置和编程。这种嵌入式一体化人机界面设备具有广阔的前景，可广泛应用于许多领域。
全数字高精智能型伺服总控系统是具备电流环，速度环与位置环的先进伺服系统，保证了单机的位置控制精度，同时通过高速现场总线接口实现多轴的精确位置同步控制。所有这些伺服控制器都连接在高速现场总线上，由计算机可编程控制器进行集中控制与管理。
全数字高精智能型伺服总控系统选用高速现场总线的优点体现在以下方面：
● 高速现场总线传输速率极高，采用星型网络连接，计算机可编程控制器控制多台伺服，同步循环时间只需几百微秒。同步循环时间越短，则同步的动态响应性能越 好。这直接体现出来在机器启停、加减速的时候的同步性能。实际经验表明，采用高速现场总线技术的伺服系统，不仅在稳速的时候有极佳的同步效果，即使在机器 频繁加减速、启停的情况下，也可以保证精确的同步性能，保障控制精度。
● 所有伺服控制器连在同一个现场总线上，由一个中央控制器集中控制。这样可以保证各伺服控制器实时收到各自的位置指令，这是高速同步的前提条件。

全数字高精智能型伺服总控系统驱动技术发展方向
驱动技术的全数字化
全数字高精智能型伺服总控系统伺服驱动的所有控制运算都是由内部的数字信号处理器dsp完成，其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，是数字化电 子世界中日益重要的电脑芯片。伺服驱动器内部的三环控制在内部高速dsp控制下，充分体现了伺服环路高响应、高性能和高可靠性和高速实时控制的要求。
驱动系统的集成一体化
为使伺服驱系统的设计更具功能化，“智能化电机”和“智能化伺服驱动器”的发展成为伺服驱动系统的集成一体化的新发展方向。“智能化电机”是指集成了驱动 和通讯的电机，“智能化伺服驱动器”是指集成了运动控制和通讯的驱动器。这样，电机、驱动器和控制的集成使三者从设计、制造到运行和维护都更加紧密地融合 到一体。可使速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等新的控制算法得以实现。由international rectifier公司推出的一种全新方法为电机控制器展现了一个集成设计平台，从简捷的元器件选型过程到数字控制芯片的定制配置等都可以利用基于pc的 图形化工具以简化设计流程。该平台包括相互兼容的igbt和功率开关电路，数字控制硬件，以及电流传感元件，由于该元件采用了高压集成电路（hvic）技 术，因而比霍尔效应或磁阻传感器小巧而且简单。另外，将功率级和模拟控制电路以及保护等集成起来就产生了一种集成功率模块，因此允许新型控制器以相同甚至 更小的外形尺寸取代传统驱动器。
驱动系统的网络化、智能化、模块化
随着计算机网络技术的发展，在机器故障诊断方面，使得人们可以通过internet及时了解伺服系统参数及实时运行情况，并可以根据嵌入的预测性维护技术 及时了解如电流、负载的变化情况，外壳或铁心温度变化情况，实时实现预警。为应对更加复杂的控制任务，模糊逻辑控制、神经网络和专家系统已经应用到伺服驱 动系统中，是当前比较典型的控制方法，目前市场上已有较为成熟的专用芯片，其实时性好，控制精度高，在全数字高精智能型伺服总控系统设计中已得到比较广泛 的应用。
驱动系统的高速度、高精度、高性能化
电机和驱动方式的改进和更高运行速率的dsp等使伺服驱动系统向着更高速度、更高精度、更高性能的方向发展。电机方面的改进，主要包括电机永磁材料性能的 改进，更好的磁铁安装结构设计，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。驱动方式的改进方面如采用无齿槽效应 的高性能旋转电机和采用直线电机的线性伺服驱动方式，由于取消了中间传递环节，消除了中间传递误差，从而实现了高定位精度和高速化，且根据直线电机容易改 变形状的特点，还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，加之速度更快的dsp，应用自适应、人工智能等各种控制方式不断将伺服系统的性能 指标提高。在第12届中国（广州）国际工业控制自动化及仪器仪表展（chifa 2008）上。一些工业发达国家在高速、高精技术方面仍处于领先水平。如德国倍福（bechoff）携ax5000系列伺服驱动器全新亮相，其开创了伺服 驱动性能的高标准，这种新系列的伺服驱动器除了支持单通道、多通道技术以外，更在性能和经济性方面得到了飞跃。在ax5000系列伺服驱动器所集成的快速 的控制技术中：电流控制环最快可达31.25μs，速度控制环最快可达125μs，位置控制环最快可达125μs，其支持高动态性能的运动控制任务；同时 集成了ethercat实时以太网通讯技术。可自由搭配多轴控制系统，双通道伺服驱动器可以自由匹配两个不同的电机，还提供了更高的安装密度和更经济的单 通道成本。且紧凑的设计和灵活的“ax-bridge”快速连接技术使得伺服驱动器能够进行方便的安装。
驱动系统的控制算法
从根本上讲，实现调速驱动的数字控制器需要开发人员编制磁场定向控制（foc）算法，该算法由矢量旋转、clarke变换和比例积分算法等多个控制模块构 成。在基于逆变控制的传统设计中，以上控制功能由运行在运动控制dsp或mcu中的软件代码实现。构建这样一个控制器绝非易事，不仅需要高水准的实时设计 技巧，而且为满足运算速度和数据刷新率等要求还必须用汇编言语编制程序。其代码量可能会多达数千行，而且必需在源代码阶段进行多轮反复调试和修改，才能最 终获得完备的可执行目标代码。
例如，international rectifier（ir）公司的运动控制引擎（motion control engine，简称mce）可以避免复杂的软件设计和充满挑战的实时控制，转而由硬件方法实现所需的控制模块，并能以单一的控制逻辑流程取代对复杂多任务 操作系统的需求。与基于dsp或mcu的传统解决方案相比，mce的硬件加速技术显然还能支持更高的控制带宽。针对特殊应用，目前ir公司正在开发一系列 可实现完整闭环电流控制和速度控制的mce集成芯片，并专门为伺服驱动系统和永磁电机的正弦无刷控制等进行优化处理。利用其可配置寄存器，设计人员可以利 用基于pc的servodesigner工具软件轻松地为目标应用设置控制器，该软件是运动控制设计平台的一部分，且随其一起提供。mce集成芯片还可以 实现片上pwm和电流传感功能。
随着人工智能技术的发展，智能控制已成为现代控制领域中的一个重要分支，伺服控制系统中运用智能控制技术也已成为目前运动控制的主要发展方向，并且将带来 运动控制技术的新纪元。目前，实现智能控制的有效途径有三条:基于人工智能的专家系统(expert system)、基于模糊集合理论(fuzzy logic)的模糊控制和基于人工神经网络(artificial neural network)的神经控制。
驱动系统的通用化
目前，通用型驱动器都配置有大量的参数修改和菜单功能，这便于用户在不改变硬件配置的前提下方便地设置成v/f控制、无速度传感器开环矢量控制、永磁无刷 交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式。广泛应用与各种场合，也可以驱动多种不同的电动机，如无刷直流电机、步进电机、异步电机、永磁同步电机，也 可以适应不同的传感器甚至应用于无位置传感器，还可以使用电机本身配置的反馈构成半闭环控制系统，通过接口与外部的装置位置、速度或力矩传感器构成高精度 全闭环控制系统。伺服驱动系统的通用化程度进一步得以体现。
驱动系统的两极化
所谓的两极化，一个是向小的方向发展，另一个是向大的方向发展。随着电机永磁材料的技术的发展，轻质材料的成熟应用，高速dsp技术的发展，全新的驱动方 式及设计理念，伺服驱动技术在向两个方向发展。意大利博洛尼亚大学的温森托·巴利扎尼博士与西班牙及美国同事研制成世界上最小和最快的纳米级电动机，他是 由一个分子组成，取名为rotaxane。单分子电机的直径只有5nm，它具有环形结构，能够向前和向后移动1.3nm。与其发展方向相反，上海电气集团 为三峡工程制造的世界上最大的两个单体各重450t，直径为10m的转轮,电机容量70万千瓦的三峡电站水轮发电机组，是目前世界上容量最大、直径最大、 重量最重的机组。

全数字高精智能型伺服电气总控系统配置
全数字高精智能型伺服电气总控系统配置图如图1所示。

图1 系统配置图

典型全数字高精智能型伺服总控系统电气控制系统硬件分析
先进智能型交流伺服驱动器 cd系列
图2是先进智能型交流伺服驱动器 cd系列的外貌图。

图2 先进智能型交流伺服驱动器 cd系列外貌图

产品特点：
● 内置电源单元和emc滤波单元;
● 全数字驱动控制交流电机;
● 电流环循环时间为62.5μs;
● 速度及位置环循环时间为500μs;
● 位置环，速度环及转矩环皆为闭环控制;
● 电机定子间隙自动补偿功能;
● 最高可控速度为25000r/min;
● 多种控制模式（模拟量，脉冲，canopen，profibus）;
多种自整定功能：
auto-phasing(自动整定电机及编码器参数);
auto-tuning(自动整定负载参数);
cogging torque compensation(自动间隙力矩补偿，可使电机的控制精度进一步提高)。
hsm系列为空心轴交流伺服电机
图3是 hsm系列为空心轴交流伺服电机外貌图。

图3 hsm系列为空心轴交流伺服电机外貌图

产品特点：
● 空心轴直径可达40mm;
● 体积紧凑;
● ip65防护等级;
● 低转子转动惯量，高动态响应特性;
● 高转速，最大转速可达5000 r/min;
● 适合于高精度控制场合；
● 适合于直连控制场合；
● 超高精度hiperface绝对式编码器反馈，百万级分辨率。
低压伺服驱动器系列bde
图4低压伺服驱动器系列 bde外貌图。

图4 低压伺服驱动器系列 bde外貌图

产品特点：
● bde系列为新一代的低压大功率伺服驱动器；
● dc10～60v供电，实现真正低压伺服，可适用于野外等；
● 无交流电源场合及需本质安全场合；
● 可配合多种电机的紧凑体积设计，充分节省空间；
● 全数字伺服控制，丰富的产品系列，输出功率可达到3kw；
● 可实现力矩模式，速度模式，位置模式控制；
● 最大额定电流可达60a，峰值电流120a。
fp系列为超高动态超高速超精密伺服电机
图5是fp系列为超高动态超高速超精密伺服电机外貌图。

图5 fp系列为超高动态超高速超精密伺服电机外貌图

适合超高动态超精密应用场合，该系列电机具有以下特点：
● 特殊专利结构设计；
● 高效率，几乎无电磁损耗；
● 实现真正无间隙转矩；
● 大力矩，最大峰值力矩能达到450nm；
● 波纹转矩降低到最小；
● 体积紧凑。
bl48v 系列为低压无刷伺服电机
图6是bl48v系列为低压无刷伺服电机外貌图。

图6 bl48v系列为低压无刷伺服电机外貌图

适合直流低压供电场合，该系列电机具有以下特点：
● dc28-48v供电，实现真正低压伺服，可适用于需本质安全场合；
● 紧凑体积设计，充分节省空间；
● 电机最高转速可达3000r/min；
● 电机工作温度范围-40℃至+75℃；
● 供电电压范围：10-60vdc；
● bls系列旋转变压器信号反馈，正弦波控制；
● blt系列编码器信号反馈，梯形波控制。

目前伺服运动控制产品的主要应用行业分析
伺服运动控制产品主要以机械配套为主，主要涉及机床工业、食品包装、纺织印染、电子制造、塑料机械、印刷造纸、橡胶机械、具体的市场份额比例如附表（2008年底）^[5]所示：

附表 交流伺服运动控制产品

以占据行业前二位的机床工具、食品包装为例进行说明。
机床工业领域
交流伺服运动控制产品主要应用特点：
● 高速高精度。用于高速高精加工机床的进给驱动，主要有“回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠”和直线电机直接驱动两种类型。当前使用滚珠丝杠的高速加工机床最 大移动速度90m/min，加速度1.5g；使用直线电机的高速加工机床最大快移速度已达208m/min，加速度2g，并且还有发展余地。
● 多轴化。随着5轴联动数控系统和编程软件的普及，5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点，尤其是在加工自由曲面时，克服了3轴联动 时切速接近于零时的切削弊端。控制器、交流伺服电机、专用控制平台和伺服检测装置，这些产品构成一个完善的交流伺服运动控制产品。
食品包装领域
交流伺服运动控制产品主要有以下特点：
● 机械结构大为简化。传统的包装机械控制系统多采用继电器、接触器控制电路，其复杂程度随着执行机构的增多以及调整部位的增大而加大，使得机器也越来越复 杂，给制造、调整、使用和维修带来很大困难。而交流伺服运动控制产品的应用，可用微机、传感技术、新型伺服技术取代笨重的电气控制柜和驱动装置，使零部件 数量剧减，结构大为简化，体积也随之缩小。
● 产品质量高。参数变化越多，调整部分越多，交流伺服运动控制的优越性也越大，这是一般控制方式无法比拟的。功能增多，可靠性提高，交流伺服运动控制系统除 保持原来的包装机功能以外，还可赋予其他许多功能。如液体饮料软包装机，它在气动、电气、机械的共同配合下，可具有制盒、灭菌、灌装、封口等功能，还可存 储如生产速率、产品数量、故障现象、故障原因等数据，同时能对这些数据根据实际情况进行相应处理大大方便了操作，是包装机的可靠性大为提高。
中国伺服驱动发展之迅速、市场潜力之巨大、应用之广泛越来越毋庸置疑的了。国内不断有新的企业进入到这一行业来，那些具有步进、变频、运动控制器（或控制卡）方面的厂家要进入伺服控制市场，将会非常迅速，也将会非常有竞争力。
目前国内市场的占有量以日本品牌为主，约50～60％以上，占据了国内市场的半壁江山。其次是欧美伺服产品，再者就是中国自产的伺服产品。这些厂家的伺服 产品各有特色：日本伺服进入中国市场较早，产品性能、质量较好，价位较高；而欧美的伺服产品性能和功能最好，价格最高；国产伺服产品在性能和功能方面暂时 逊色很多，只能跟在欧美日的后面走，但是具有明显的价格优势。下面是我们最新的行业统计：
国内广泛采用的通用伺服品牌
日系：三菱、安川、松下、山洋、富士、欧姆龙、日立、日机、多摩川、lg等；
欧美系：lenze、amk、rexroth、keb、ct、abb、danaher、baldor、parker、rockwell（ab）等等；
数控和高端运控伺服品牌：siemens、fanuc、三菱、rexroth等等；
数控伺服情况与数控系统状况相当，siemens和fanuc为主，三菱次之。
国外目前在中国设有代表处、公司的品牌有(47家)^[6]
西门子(德国)、施耐德(德国)、danaher、罗克韦尔自动化、fanuc(美国-日本)、松下、elmo(以色列)、安川(日本)、富士(日本)、 欧姆龙(德国)、lenze(德国)、kb(德国)、lust(德国)、三菱(日本)、b&r、艾默生、ct、omron、瑞诺(瑞士)、迈克斯 (德国)、trio(英国)、bosch rexroth(德国)、maxon、麦特斯(韩国)、sew、baldor、oemax、斯德博(德国)、beckhoff(德国)、美国贝赛德、 nord、shinko(日本)、ssd、ppd(瑞典)、西班牙玛威诺、阿尔法、华纳(美国)、moog、台湾大内、aurotek、 dasatech、parker(美国)、士林、罗兰(美国)、seek、pittman、贺尔碧格(德国)、stoeber
国产通用伺服主要有(23家) ^[6]
台达、埃斯顿、珠海运控、星辰伺服、深圳步进科技、时光、和利时、浙江卧龙、兰州电机、雷赛机电、宁波甬科、固高科技、大连普传、武汉登奇、贝能科技、鄂尔多斯、海蓝机电、北京宝伦、南京晨光、北京首科凯奇、西安微电机、南京高士达、中国电子集团21所等；
国产数控伺服主要有(13家) ^[6]
华中数控、广州数控、大森数控、北京航天数控、凯奇数控、开通数控、众为兴数控、苏强数控、绵阳圣维数控、北京凯恩帝数控、南京华兴数控、南京新方达数控、高金数控等；
国产伺服电机主要有(16家) ^[6]
东元、华大、登奇、强磁（苏强）、中源、海顿(直线电机)、大族(直线电机)、先川电机、硕阳电机、南京思展、上海蒂凯艾姆、上海赢双、北京贝赛德、博山华兴(直流伺服)、博山微电机(直流伺服)、亚博微电机(直流伺服)、上海三意电机等。

结语
我们预计中国的设备制造业在未来的五年将会有很大的变化，主要表现在对自动化设备的要求越来越高。随着全球制造中心大举向中国转移，不可避免的激烈竞争将 加大制造业对高端自动化产品的需求，中国的运动控制和智能检测技术产品市场将进入高速发展阶段，面对这种高速发展，我们希望为用户提供完整的解决方案和专 业的服务，以此帮助他们解决开发和应用中遇到的问题。

作者简介
舒志兵（1965-）男 南京工业大学自动化学院运动控制研究所所长，现任“中国人工智能学会智能检测与运动控制专业委员会”秘书长。主要研究方向有：机器人、非线性多变量控制、 变频调速、交直流传动、伺服运动控制、dsp技术、现场总线、数控系统及其机电一体化系统等，发表论文60余篇，主持项目多项，有丰富的理论及实际经验， 获得发明专利、实用新型专利共5项。

参考文献
[1] t. k. kiong, l. t. heng, d. huifang, et al. precision motion control design and implementation. berlin heidelberg: springer,2001.
[2] z. z. liu, f. l. luo, m. a. rahman, robust and precision motion control system of linear-motor direct drive for high-speed x-y table positioning mechanism, ieee trans. industrial electronics, 52(5): 1357-1363, 2005.
[3] k. ohnishi, a new servo method in mechatronics. trans. jpn. soc. elect. eng., 1: 83-86, 1987.
[4] h. s. lee, robust motion controller design for high-accuracy positioning systems. ieee transactions on industrial electronics, 43: 48-55, 1996.
[5] 中国联合市场调研网.《2009年中国伺服电机行业市场研究报告》.http://www.cu-market.com.cn/
[6] 慧典市场研究报告网.《2008年中国伺服系统市场研究分析报告》.
[7] 舒志兵. 交流伺服运动控制系统[m]. 北京: 清华大学出版社, 2006.
[8] 冯晓艳,范红刚. pmsm伺服系统的控制[j].电机与控制学报,2007,11(3):244-247.
[9] 中国社会科学院工业经济研究所. 中国工业发展报告（2008）[m]. 北京:经济管理出版社, 2009.