伺服控制技术是怎么发展的？

引言

关于伺服控制的概念：伺服控制系统（伺服单元）是具有位置、速度、或加速度闭环控制的机械系统，如图1所示。

图1中包括：被控对象，伺服电机，功率驱动器，反馈控制器、运动控制器。除了被控对象以外的部分，称为伺服单元。



图1 典型伺服控制系统

伺服单元经历了三个发展的里程碑：

（1)传统伺服单元，如图2（a)，由驱动器、伺服控制器和伺服电机组成；

（2)现代伺服单元，如图2（b)，将驱动器和伺服控制器集成为整体；

（3)面向未来的伺服单元，如图2（b)，进一步将驱动器、伺服控制器和伺服电机集成为伺服一体机。



图2 伺服单元的发展

伺服一体机的主要特点是：高密度、体积小、适于网络控制和具有更高的可靠性。它内含：控制器内核和功率驱动器内核，通过dcbus和网络接口与外部建立联系，既能自主运行又能受控于网络，能以分布式形态构成任意复杂的大型精密控制系统。

伺服电机和位置传感器

传统伺服电机采用均匀齿槽和分布式绕组，电机的气隙磁场为正弦波。现代伺服电机采用非均匀齿槽和集中式绕组，电机的气隙磁场为注入三次谐波的正弦波。集中式绕组伺服电机的绕组端部比传统伺服电机小很多，因此电机的铜损耗也小许多。图3是使用磁编码器（位置传感器)的高密度伺服电机。伺服电机还有其他形式，例如：无铁心伺服电动机、无齿槽伺服电动机、伺服力矩电机、线性（直线)伺服电动机等等。

伺服电机的位置传感器有：光电编码器（分辨率2500线到21位不等)，旋转变压器（分辨率12位左右)，磁编码器（分辨率12位左右)，光栅传感器（1～0.5μm)，感应同步器（0.2～20角秒或1μm)等。位置传感器还可分为：增量式和绝对式。

数控系统

构成工业机器人、数控机床等设备，还需要数控系统。数控系统分两大类：嵌入式数控系统和基于pc的数控系统（pc based)。数控机床使用嵌入式数控系统居多。目前，嵌入式数控系统的软件开放性已有所改善；pc数控系统的主要特点是，软件开放性好，用户有更大的使用灵活性。



图3 高密度伺服电机装配爆炸图

典型数控系统

数控系统以日本fanuc和德国siemens最具代表性。

例如：

（1) fanuc高端产品：16i/18i/21i－model b超小、超薄，控制器与显示器集成一体；可支持纳米级超精加工；hrv3伺服控制；内嵌式以太网； pmc基本指令执行时间0.033μs/步，速度快；最多控制轴数8轴；最多联动控制轴数6轴；最多可控主轴4轴。

（2) fanuc普及型数控0i系列

目前中国国内已经能够生产和配套仿0i系列的普及型数控系统。

（3) siemens高端产品840d

全数字化、体积小、功能强；开放式cnc；31个驱动轴（最多5个主轴); 8个插补轴，多通道结构；刀具定向的斜面加工和5轴加工；样条插补，多项式插补；高精度轮廓加工，预读功能，动态前馈控制，可编程加速响应；以太网。

（4) siemens中档产品810d

可控5个进给轴和1个主轴; plc s7-300，紧凑i/o模块; 可配伺服电机，同步主轴电机，线性电机，力矩电机；软件与804d同步; 驱动优化，适于模具加工。

（5) siemens普及型产品802d

数字伺服；4个伺服轴和1个可控主轴。目前中国国内已经能够生产和配套仿802d系列的普及型数控系统。

（6) siemens网络型simotion系列

最新推出，网络型数控系统，具有一体化结构，结构紧凑，性价比高。

（7) 三菱mitsubishi高端产品m64as/m64s/m65s

适用于高速要求的模具、复合机；64位cpu，处理能力大幅提高；最大nc轴 6；最大主轴数4；同时外形控制轴数4；高速高精度控制；sss超高平滑轮廓控制；以太网接口；可用ic卡(程序，参数，plc，dnc）；多种插补功能。

数控机床

由数控系统、伺服单元、机床本体和机床电气一起构成数控机床[4]。数控机床的分类如表1。我国已经成为世界上最大的低档数控机床生产国，并且产能饱和。中国企业面临技术转型，目前正在向研制和生产中、高档数控机床努力。

网络分布式伺服系统

随着网络技术的进步，采用实时网络的伺服系统也随之发展。目前已有多种通讯协议被分布式运动控制系统采用。如以太网的协议（ethernet/ip、profinet及ethercat)、现场总线标准（profibus、interbus、controlnet)，其它如：real-time ethernet、real-time can bus等等。

应用高速网络技术的分布式伺服系统有许多优点，例如：更灵活的系统布局和系统应用、更佳的系统组合能力等等。网络技术还大幅度降低了系统构成的成本，还提高了可靠性。

网络分布式伺服系统的主要技术挑战是：通信的安全性及可靠性，特别是位置传感器信号，对实时性和可靠性要求极高。解决这一瓶颈的途径是：光纤通信，但成本偏高。因此，解决这一瓶颈的根本途径是采用面向未来的伺服单元：伺服一体机。

图4是由8台伺服一体机构成的生产线，它节省了大量系统连线，可靠性和可维修性都大幅提高。



图4 8台伺服一体机构成的生产线

伺服控制芯片技术的发展

随着高性能微处理器(mcu)、数字信号处理器(dsp)的发展，数字伺服控制技术已成为工业伺服系统的主流。电机数字控制技术的演变过程如图5 所示。 图5（c)是使用专用dsp芯片或专用asic芯片的数字伺服控制系统。



图5 数字电机控制技术的演变

高性能四轴电机伺服控制芯片

saat1000是深圳航天科技创新研究院推出的高性能四轴电机伺服控制芯片。它包括四轴运动控制引擎（four axes motor control engine），模数转换电路和接口，嵌入式8051微处理器，丰富的外设接口。它是一个完整意义的四轴电机伺服控制soc系统，可以实现对4台永磁伺服电机完全同步的位置、速度和电流伺服控制。嵌入式处理器可以提供良好的人机接口以及最大限度的提高芯片功能的灵活性，该款芯片的主要特性如下所示[1][2][3]:

1) 电机控制引擎(fmec)可用于同时控制四台20w至300kw的永磁伺服电动机，可进行力矩、速率和位置伺服控制；

2) 纯硬件的电流环(pi结构，15位分辨率，参数可实时配置)、速率环（pdff+feedforward结构，15位分辨率，参数可实时配置)、位置环(pid+feed forward结构，16位分辨率，参数可实时配置)电机控制模块；由此可以衍生出pid/ipd，pi，pdf和前馈运动控制形式的模块，极大提高用户自主构建特色电机控制系统的灵活性，并允许用户通过实时调试来构建最优电机控制系统；

3) 位置环刷新率1～30khz，可配置；速率环刷新率1～30khz可配置；电流环刷新率1～30khz可配置；

4) 闭环控制模块的信号处理单元，具有fir滤波器，notch滤波器等，为用户提供抑制干扰和系统谐振的强有力手段。fir滤波器，notch滤波器的参数可实时配置。用户能够利用该功能，构建符合应用现场需要的，具有高稳定性、高可靠性的控制系统；

5) 4轴（4通道)两相磁编码器（磁旋转编码器)和旋转编码器角度解算接口，输出的数字角度，具有最高24位分辨率。为用户提供了构建，高性能、低成本的伺服控制系统的新手段；

6) 4轴（4通道)光电编码器接口，输出的数字角度，具有最高为32位分辨率，方便用户构成高精度全闭环伺服系统；

7) 4轴（4通道)u、v、w三相霍尔位置传感器接口；

8) 可选择模拟量v命令或数字量p命令给定；

9) 4路12位，50khz刷新率，△∑a/d转换器；

10) 多路pwm型d/a转换器输出；

11) 嵌入8051内核，提高了芯片的设计柔性；

12) 标准的canbus控制器；

13) 电机控制引擎具有，4轴独立的保护功能（过热、过流、过压、欠压、超速、位置超调等);

14) 4轴同步控制，4轴同步采样，同步更新输出，具有同步抑制共模干扰特点；

15) 运行监控寄存器，可读出任何运行参数，例如：转速、力矩、位置等数据，送至片内d/a转换器和输出端口，供外接示波器或记录设备使用；

16) 可配置（编程)运动控制引擎内部参数，提高调试和运动控制的灵活性；

17) +5v单电源（目前芯片：+5v/250ma，3.3v/250ma）；

18) 外部时钟：33.33mhz；内部时钟：200mhz；

19) 工作温度：-40～110℃；

20) 芯片封装bga208；

21) 芯片功耗650mw（rfq)。



图6 四轴芯片saat1000典型的应用原理图


图7 四轴芯片的内部方框图

芯片具有原理性的四轴同步性能、原理性的电磁兼容优势、原理性的纯硬件高动态响应特点。有利于构成四轴共享直流电力母线的四轴电机控制系统。共享直流电力母线系统，使得减速过程和发电状态产生的能量，可以被处于驱动状态的电动机重新利用。从整体上，实现多轴电机系统的高效运行。该额外的功能对于使用多台电机的自动化设备，节能效果显著，意义重大。

芯片配套提供四轴电机伺服控制芯片调试和运动控制软件平台。软件平台，提供运动控制引擎内部参数的写入和读出功能，提供4通道软件示波器功能，方便实现四轴电机伺服控制系统的调试和运行控制。

主要应用领域：

贴片机

工业绕线机、卷绕设备、电动缝纫机

工业机械手和机器人，多关节伺服控制

军民两用多轴伺服控制系统

汽车、飞机执行机构控制器

数控机床，多轴伺服控制

高性能机器人工业自动化设备、纺织、印刷自动化设备

办公自动化设备

电动汽车四轮驱动

高性能电动机执行机构

自动对焦显微镜

医疗生物工程自动化设备

实验研究测量设备

张力自动化控制系统

薄膜加工设备，薄膜卷绕

生物工程自动化设备

医用离心分离机

大型永磁电动机的多轴同步控制

四轴伺服控制芯片用于永磁伺服电动机的力矩、速率和位置伺服控制。它不同于传统的mcu单片机或dsp，四轴伺服控制芯片，使用纯硬件可配置运动控制引擎，提供四个独立的电机力矩、速率和位置伺服控制内核，方便用户构成1～4台不同型号或相同型号的伺服电机的运动控制系统。

芯片内置的闭环控制器的结构和参数，可现场修改和整定。控制芯片的控制器内核、运动控制外围接口、专用运动控制时序等控制变量，均映射到内部寄存器。用户只需对内部寄存器进行读和写，即实现了对于四轴伺服控制控制系统的同步控制。为了避免使用额外的模数转换电路，芯片提供了8通道独立a/d转换电路接口。

芯片内嵌一个完整的8051高速微控制器，内部时钟频率为100mhz。8051控制器有一个jtag端口可以方便使用仿真和调试工具。图6是芯片的典型的应用原理图。

8051包括24k字节的ram用来做指令存储器，8051程序执行时可以从外部的eeprom中加载这些指令。saat1000考虑了芯片系列的继续发展。对于高容量的应用，saat1000系列包括24k字节的掩膜型的只读存储器来代替程序随机存储器，芯片的封装和管脚结构不变，这样可以方便pcb板的设计和大批量生产。封装和管脚结构详见数据表。

图7是四轴芯片内部的方框图。

结束语

伺服控制技术发展迅速，技术进步和技术创新仍是中国企业面临的当务之急。本文指出伺服控制技术中，关于：伺服电机、位置传感器、数控系统、网络控制、伺服控制芯片等值得注意的应用技术新动向。

作者简介

李铁才（1950-) 男 教授、博士生导师，研究方向电机驱动控制技术。

参考文献

[1] 周兆勇,李铁才.基于矢量控制的高性能交流电机速度伺服控制器的fpga实现[j].中国电机工程学报,2004,（5).

[2] 万筱剑,吴乾坤,杜坤梅.单芯片交流伺服电动机控制系统的实现[j].电机与控制学报,2004,（3).

[3] 周兆勇,漆亚梅.多轴伺服控制器片上系统设计[j].电机与控制学报,2009,（4）.

[4] 漆亚梅,李铁才.小型非球面超精度数控车床的现状与研究[j].伺服控制,2010,（2）.