發(fā)展我國伺服驅(qū)動產(chǎn)業(yè)的探討

1、作為數(shù)控機床的重要功能部件， 伺服驅(qū)動裝置的特性一直是影響數(shù)控機床加工性能的重要指 標。圍繞伺服驅(qū)動裝置的動態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高， 近年來國內(nèi)外發(fā)展了多種伺服驅(qū)動技 術?？梢灶A見，隨著高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡制造等先進技術的發(fā)展，具有網(wǎng)絡接口的 全數(shù)字交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、 直線伺服系統(tǒng)及高速電主軸等成為機床行業(yè)的關注熱點， 并成為 伺服驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展方向。一、交流永磁同步伺服驅(qū)動裝置伺服驅(qū)動技術經(jīng)過了直流伺服裝置、 直流無刷伺服裝置和交流永磁同步伺服驅(qū)動裝置三 個階段。隨著現(xiàn)代制造業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)對加工設備提出了高速度、高精度、高效率的要求，交 流永磁同步伺服驅(qū)動裝置具有高響應、免維護 （無炭刷

2、、換向器等磨損元部件 ）、高可靠性等 特點。 它采用微處理技術、 大功率高性能半導體功率器件技術、 電機永磁材料制造工藝和具 有較好的性能價格比，成為工業(yè)領域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎技術之一。從 2005 年德國漢諾威展覽會，可以看到伺服驅(qū)動裝置的兩個發(fā)展趨勢：1. 全數(shù)字化全數(shù)字化是未來伺服驅(qū)動技術發(fā)展的必然趨勢。 全數(shù)字化不僅包括伺服驅(qū)動內(nèi)部控制的 數(shù)字化， 伺服驅(qū)動到數(shù)控系統(tǒng)接口的數(shù)字化， 而且還應該包括測量單元數(shù)字化。 因此伺服驅(qū) 動單元內(nèi)部三環(huán)的全數(shù)字化、 現(xiàn)場總線連接接口、 編碼器到伺服驅(qū)動的數(shù)字化連接接口， 是 全數(shù)字化的重要標志。隨著微電子制造工藝的日益完善，采用新型高速微處理器，特別

3、是數(shù)字信號處理器 DSP 技術，使運算速度呈幾何級數(shù)上升。伺服驅(qū)動內(nèi)部的三環(huán)控制（位置環(huán) /速度環(huán) /電流環(huán)）數(shù)字化是保證伺服驅(qū)動高響應、高性能和高可靠性的重要前提。伺服驅(qū)動所有的控制運 算，都可由其內(nèi)部的 DSP 完成，達到了伺服環(huán)路高速實時控制的要求。一些產(chǎn)品還將電機 控制的外圍電路與 DSP 內(nèi)核集成于一體，一些新的控制算法速度前饋、加速度前饋、低通 濾波、凹陷濾波等得以實現(xiàn)。伺服驅(qū)動傳統(tǒng)的模擬量控制接口， 容易受到外部信號干擾， 傳輸距離短。 我國目前伺服 驅(qū)動裝置上大量采用的脈沖式控制接口， 也不是真正意義上的數(shù)字接口。 這種接口受脈沖頻 率的限制， 不能滿足高速、高精控制的要求。

4、而采用現(xiàn)場總線的數(shù)字化控制接口， 是伺服驅(qū) 動裝置實現(xiàn)高速、 高精控制的必要條件。 因此， 近年來外國公司紛紛推出各自的數(shù)字接口協(xié) 議和標準， 如日本發(fā)那科公司推出串行伺服總線 （FSSB） ，德國西門子公司推出 Profibus-DP 總線，日本三菱推出 CC-link 總線，德國力施樂推出 SERCOS 總線。全數(shù)字化已經(jīng)延伸到測量單元接口的數(shù)字化。 德國 HEIDENHAIN 將各種類型的編碼器， 如絕對、 增量式和正余弦編碼器的細分功能， 都統(tǒng)一到 EnDae2.2 編碼器連接協(xié)議中。 細分 過程在編碼器內(nèi)部完成，再通過數(shù)字接口和伺服驅(qū)動連接起來，這才是真正的全數(shù)字化。2. 高性能表現(xiàn)

5、為高精度、高動態(tài)響應、高剛性、高過載能力、高可靠性、高電磁兼容性、高電網(wǎng) 適應能力、高性價比。在 2005 年漢諾威展覽會上， 日本發(fā)那科推出了 HRV4 伺服控制控制技術。 伺服 HRV4 繼承并進一步發(fā)展了 HRV3 的優(yōu)點，具有如下特點：在任何時刻，均采用納米層次的位置 指令，使用1600萬/轉(zhuǎn)的a i高分辨率的脈沖編碼器，可以實現(xiàn)納米精度的伺服控制；HRV4超高速伺服控制處理器，所控制的電機轉(zhuǎn)速可以達到 60000r/min ； HRV4 控制算法，可使 得伺服電機的最大控制電流減少 50，并減少電機發(fā)熱 17，因此，伺服驅(qū)動裝置可以獲 得更高的剛性和過載能力。各公司對伺服的動態(tài)特性更

6、加關注。如海德漢公司在 2005 年漢諾威展覽會上，展示了 不同分辨率的編碼器對扭矩脈動的影響， 揭示了提高編碼器分辨率， 可以大大減少伺服驅(qū)動 的轉(zhuǎn)矩脈動。電子電力技術的發(fā)展，使得伺服系統(tǒng)主電路功率元件的開關頻率由25kHz提高到10kHz 以上，大功率絕緣柵門雙極性晶體管 (IGBT) 和智能控制功率模塊 (IPM) 等先進器件的 采用， 大大減少了伺服驅(qū)動器輸出回路的功耗， 提高了系統(tǒng)的響應速度和平穩(wěn)性， 降低了運 行噪音。這些不僅為交流伺服全數(shù)字化、 高速度、 高精度奠定了基礎， 還使得交流伺服系統(tǒng) 趨于小型化。二、直接驅(qū)動技術 (Direct Drive)大推力直線伺服驅(qū)動裝置、 大

7、轉(zhuǎn)矩力矩伺服驅(qū)動裝置與傳統(tǒng)的螺旋傳動方式相比， 直接 驅(qū)動技術最大特點是取消了電動機到移動/轉(zhuǎn)動工作臺之間的一切機械傳動環(huán)節(jié)，即把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。 這種“零傳動 ”方式，帶來了螺旋傳動方式無法達到的性能指標， 如加速度可達 3g 以上，為傳統(tǒng)驅(qū)動裝置的 1020倍，進給速度是傳統(tǒng)的 45倍。直接驅(qū)動技術是高速高精數(shù)控機床的理想驅(qū)動模式， 受到機床廠家的重視， 技術發(fā)展迅 速。近年來， 國際上幾十家公司展出了直線電動機驅(qū)動的高速機床， 一些制造廠商已將機床 運動加速度提高到 23g,快速移動速度提高到 150240m/min 。MAZAK公司將推出基于 直線伺服系統(tǒng)的超音速加工中心

8、，切削速度 8 馬赫，主軸最高轉(zhuǎn)速 80000r/min, 快速移動 速度500m/min,加速度6g。這標志著，以直線伺服為代表的第二代高速機床，已克服了直 線電機的發(fā)熱、防護和成本高的缺點，逐步走向?qū)嵱谩?005 年底，作者參觀了日本森精機的工廠，印象最深的是 :森精機的機床產(chǎn)品上已大量 使用自制的大轉(zhuǎn)矩力矩伺服驅(qū)動裝置。 與傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動相比， 大轉(zhuǎn)矩力矩伺服驅(qū)動裝 置使得機床的回轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)大大簡化，轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速大大提高，動態(tài)響應大大提高。三、高速電主軸電主軸是電動機與主軸融合在一起的產(chǎn)物。 它將主軸電動機的定子、 轉(zhuǎn)子直接裝入主軸 組件內(nèi)部， 電動機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分， 由于取

9、消了齒輪變速箱的傳動與電動機的連 接，實現(xiàn)了主軸系統(tǒng)的一體化、 “零傳動 ”。因此，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動態(tài) 特性好等優(yōu)點， 并可改善機床動平衡， 避免振動和噪聲， 在超高速機床上得到了廣泛的應用。 電主軸的驅(qū)動一般使用矢量控制的變頻技術。國外高速加工主軸轉(zhuǎn)速一般在1200025000r/min, 最高達7000080000r/min。四、我國伺服驅(qū)動系統(tǒng)的現(xiàn)狀我國在 20 世紀 80 年代初期通過引進、 消化、吸收國外先進技術， 又在國家 “七五 ”、“八 五”、“九五 ”期間對伺服驅(qū)動技術進行重大科技攻關，取得了一定成果。上世紀 80 年代，我國曾花巨資引進西門子的伺服驅(qū)動技術

10、。但由于其引進的技術屬淘 汰的落后技術， 自主的消化吸收沒有突破， 導致沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。 慘痛的歷史教訓使大家明 白了一個硬道理： 對于伺服驅(qū)動這樣的戰(zhàn)略高技術， 靠花錢引進根本辦不到； 盲目效仿國外， 也只會落后挨打，受制于人；唯一的出路，就是走自主創(chuàng)新之路。華中科技大學是我國自主創(chuàng)新的伺服驅(qū)動技術的發(fā)源地之一?！鞍宋?”期間，華中科技大學的自控系和電力系分別開始了伺服驅(qū)動的研發(fā)工作。1996 年，自控系與華中數(shù)控合作，共同研制基于單片機的模擬數(shù)字混合式（電流環(huán)是模擬量 ）交流伺服驅(qū)動和主軸驅(qū)動 （HSV-9系列），后來又開發(fā)了基于 DSP 的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動裝置 （HSV-16/18/2

11、0） 并投入大批量生 產(chǎn)。到目前為止已累計生產(chǎn)銷售 30000 多臺，被評為國家攻關重大成果和國家重點新產(chǎn)品。 華中科技大學電力系與廣州數(shù)控、 上海開通數(shù)控合作， 研制的伺服驅(qū)動技術也已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。北京航天數(shù)控公司生產(chǎn)的 DSCU 系列全數(shù)字伺服控制單元和 DSSU 系列全數(shù)字主軸控 制單元、北京凱奇數(shù)控設備成套有限公司生產(chǎn)的全數(shù)字伺服控制單元和全數(shù)字主軸控制單元 及電機也已經(jīng)得到了大規(guī)模應用，進給伺服功率范圍 20W 7.5kW ，主軸伺服功率范圍 3.5kW 22kW ，可以滿足企業(yè)實際需要。北京時光科技公司自主研發(fā)的 “全數(shù)字化交流伺服控制技術 ”，采用 32 位微處理器為基 礎的系統(tǒng)級

12、芯片和智能化功率器件， 成功實現(xiàn)了對三相交流異步電機 (鼠籠式電動機) 的高 精度伺服控制。基于此項技術研制生產(chǎn)的 IMS 系列伺服控制器可通過編程方式，靈活、準 確地對電機的位置、轉(zhuǎn)速、加速度和輸出轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)高精度控制，其產(chǎn)品能廣泛應用于機床、 電梯、包裝機械、印刷機械、塑料機械、搬運機械、電動車及自動化生產(chǎn)線等各種領域，用 戶反映良好。從 2003 年開始，我國的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)從配用步進驅(qū)動裝置，開始大規(guī)模改用伺服驅(qū) 動裝置。中國人自主創(chuàng)新的伺服驅(qū)動技術為促使我國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級， 立下了汗馬功勞， 伺服驅(qū)動產(chǎn)業(yè)也取得了很大進步。目前，我國伺服驅(qū)動系統(tǒng)的產(chǎn)品性能、產(chǎn)品可靠性方面，與國外產(chǎn)品

13、還存在一定差距。 特別是在全數(shù)字化的高性能伺服驅(qū)動技術方面， 與國外名牌企業(yè)仍存在較大的差距， 已成為 制約我國發(fā)展中高檔數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的 “瓶頸 ”問題。五、華中數(shù)控伺服產(chǎn)品和技術特色華中數(shù)控公司自成立以來， 一直與華中科技大學控制科學與工程系在伺服產(chǎn)品的開發(fā)方 面緊密合作。率先在國內(nèi)開發(fā)成功基于微處理器的 HSV-9 交流伺服驅(qū)動裝置并批量生產(chǎn)和 銷售。后來，承擔國家 “十五 ”攻關項目 “全數(shù)字交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和交流主軸伺服控制系統(tǒng)的 研究開發(fā)與應用”、國家 十五” 863項目“EQ6110HEV混合動力城市公交車用電機及其控制 系統(tǒng) ”、國家技術創(chuàng)新項目 “全數(shù)字智能化交流進給驅(qū)動單元

14、”和中小企業(yè)創(chuàng)新基金項目 “高性 能伺服驅(qū)動系統(tǒng)工程化研究 ”等 7項國家級項目的研發(fā)任務。華中數(shù)控近年來開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的系列交流伺服驅(qū)動單元和交流伺服電機。HSV-16 系列全數(shù)字交流伺服驅(qū)動單元 作為一種新型產(chǎn)品，它進一步提高和完善了產(chǎn)品性能。驅(qū)動器的硬件環(huán)境為: 高性能馬達控制專用數(shù)字信號處理器 (DSP)+ 大規(guī)?，F(xiàn)場可編程邏輯陣列 (FPGA)+ 智能功率模塊 (IPM); 操作簡單、可靠性高、體積小巧、易于安裝。具有自測試、自診斷功能，且對短路、 過流、過壓、欠壓、泵升、過熱等多種故障情況具有完善的軟、硬件保護功能。HSV-18D 系列全數(shù)字交流伺服進給驅(qū)動單元和主軸單元采

15、用當今最新技術設計，交流 380V 直接供電，可實現(xiàn)多種交流電機，包括交流永磁同 步電機、無刷直流電機、交流感應電機 (交流異步電機 )的轉(zhuǎn)矩、速度、位置閉環(huán)或全閉環(huán)控 制。為了提高產(chǎn)品的可靠性， 面對國內(nèi)用戶使用環(huán)境惡劣的現(xiàn)狀， 華中數(shù)控的伺服驅(qū)動裝置 的企業(yè)標準是按歐洲四級電磁兼容性的指標制訂的，比國家標準（歐洲三級電磁兼容性 ）的技術指標高出一倍。華中數(shù)控產(chǎn)品適用的電壓范圍達到±20 ，而國家標準要求的產(chǎn)品電壓范圍為+ 10%一15 %。交流伺服電機是數(shù)控系統(tǒng)關鍵部件之一。 過去主要靠進口， 不僅價格昂貴， 而且品種不 全，供貨周期長。核心技術掌握在國外公司手里，系統(tǒng)技術改造也

16、很困難,電機成本、類型和供貨期嚴重制約了數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為此，華中數(shù)控在 2000 年開始籌備自主研發(fā)交 流伺服電機系列， 投資組建了上海登奇機電技術有限公司， 開發(fā)自主知識產(chǎn)權的 GK6 、GK7 全系列永磁同步交流伺服電機和 GM7 系列交流伺服主軸。研制初期，大量參考了國內(nèi)外先進技術，包括德國西門子、日本安川、三洋、松下等電 機的先進技術，結(jié)合國內(nèi)用戶需求和市場需要，于 2001 年自行成功研發(fā)出 GK6 系列交流 永磁同步伺服電機。 該系列電機采用定子沖片疊壓外露結(jié)構(gòu)， 無間隙直接散熱； 采用超高內(nèi) 稟嬌頑力稀土永磁材料形成氣隙磁場;自主研制的國內(nèi)唯一的電機轉(zhuǎn)子斜磁體整體充磁的生產(chǎn)

17、工藝設備，保證所生產(chǎn)的伺服電機無磁粘結(jié)、減少損耗，降低磁場振動和噪音， 具有更高 的性能。采用整體加工工藝，電機振動小、轉(zhuǎn)動平穩(wěn)。目前產(chǎn)品額定扭矩為0.61000Nm ，額定轉(zhuǎn)速為 1000、1200、1500、2000、3000、6000r/min 。該系列電機的成功推出，為華 中數(shù)控和國內(nèi)其他數(shù)控企業(yè)提供了性價比很高、供貨及時、滿足個性需求的伺服電機配套。在成功研制出交流伺服電機并市場化的基礎上， 為了更全面地與數(shù)控機床配套， 于 2004 年研制開發(fā)了 GM7 系列交流變頻主軸電機。目前產(chǎn)品額定功率為 2.2kW 100kW ，采用 F 級特殊絕緣結(jié)構(gòu)，抗浪涌電流及電暈現(xiàn)象，壽命長，可靠

18、性高；采用內(nèi)藏風道，定子沖片碟 壓一體式結(jié)構(gòu)， 散熱效率高、體積緊湊； 采用整體加工工藝和高精度動平衡技術， 大大提高 了高速、高精和可靠性運行能力。華中數(shù)控研制的交流伺服電機和交流變頻主軸電機， 品種在國內(nèi)最齊全。 在產(chǎn)量上， 每 年翻番，已具備達年產(chǎn)2萬臺的能力。2006年，華中數(shù)控申報的國家發(fā)改委裝備國產(chǎn)化”專項：全數(shù)字伺服驅(qū)動與電機的產(chǎn)業(yè)化，已通過了專家評審，公司擬投資7000 萬元，新建10000m2 的伺服驅(qū)動和電機的生產(chǎn)廠，建成后擬達到年產(chǎn) 1 0萬臺套伺服驅(qū)動與電機的能 力。華中數(shù)控還根據(jù)市場需要， 開發(fā)了多種有專用伺服產(chǎn)品。 研制的大功率伺服驅(qū)動已用于 重慶某廠的擺式列車車廂

19、平衡系統(tǒng)。 研制的開關磁阻電機控制器應用于武漢市城市混合動力 電動公交車上 ;與德國某公司合作生產(chǎn)的工業(yè)縫紉機驅(qū)動系統(tǒng)已批量銷售。GK6 、GM7 伺服主軸電機已批量與我國某著名的注塑機生產(chǎn)廠家的全電動注塑機配套。的伺服驅(qū)動已用于鄂州機床廠開發(fā)的我國第一臺電動螺旋壓力。輸出扭矩達 1000Nm六、發(fā)展我國伺服產(chǎn)業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的建議作為數(shù)控機床的重要功能部件， 伺服驅(qū)動和伺服電機是影響數(shù)控系統(tǒng)性能的重要功能部件。伺服驅(qū)動和伺服電機的成本占到數(shù)控系統(tǒng)的總成本的1/23/4 ,因此，是否掌握自主的伺服驅(qū)動和伺服電機技術， 是決定一個數(shù)控系統(tǒng)廠的市場綜合競爭力的決定性因素。伺服驅(qū)動涉及大功率強電控制，

20、 是可靠性的薄弱環(huán)節(jié)和瓶頸。 縱觀國外成功的數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)， 都有 自主的伺服驅(qū)動技術自我配套能力。 發(fā)展我國自主的伺服驅(qū)動技術和產(chǎn)業(yè)刻不容緩。建議如下：1. 大力加強伺服驅(qū)動裝置的生產(chǎn)工藝技術的研究在國家 863 計劃、科技部中小型企業(yè)創(chuàng)新基金和國家 “十五 ”攻關成果基礎上， 我國的伺 服驅(qū)動裝置的控制平臺技術已經(jīng)基本成熟。產(chǎn)品化攻關重點是可靠性設計和可靠性保證措 施、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和系列化設計、大批量生產(chǎn)工藝研究，使產(chǎn)品能滿足國家相關標準要求，滿足市場急劇增長的需求，擴大國產(chǎn)伺服驅(qū)動裝置的市場占有率。2. 開展高性能伺服驅(qū)動裝置的性能測評和改進技術研究加大對伺服驅(qū)動裝置測試手段的投入， 開展伺服驅(qū)動的性能測評， 以獨立、 客觀、科學、 實用的技術測試為