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摘 要：随着近代控制技术的发展，伺眼电动机及其伺服控制系统广泛应用于各个领域，无论是数控(NC)机床、工业机器人以及工厂自动化(FA)、办公自动化(OA)、家庭自动化(HA)等领域，都离不开伺服电动机及其伺服控制系统。本文主要分析了伺服电动机的控制技术的发展特点及未来展望。
关键词：伺服；电机；展望
Abstract: With the development of modern control technology, servo motor and its servo control system is widely applied in many fields, both numerical control (NC) machine tools, industrial robots and factory automation (FA), office automation (OA), home automation (HA) and other fields, all cannot do without the servo motor and its servo control system. This paper mainly analyzes the characteristics of the development of control technology of servo motor and its future prospects.
Key words: servo motor; prospect;
中图分类号：F416.61
一、国内外智能电机技术现状比较
目前国产交流伺服电机及其全数字式伺服驱动器、智能伺服电机已经基本自主开发成功，在国家的大力扶持下，清华大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学等学校的研究所对电机控制的核心算法的研究已经很成熟，而且技术水平可以说完全达到了国际一流的水平;产品功能的开发一般由企业来完成，瑞默森(北京)科技有限公司从2001年起一直从事智能伺服电机驱动器的产品化和产业化的研发，目前已经批量生产的各种型号的智能电机和伺服驱动器都具有很完善的功能，包括：电流环、位置环、速度环的PID参数实时自动调节，电机参数自动识别，电机运动控制功能，CAN总线等，结合上位机的可视化的调试和编程界面等功能。可以看到对智能电机的功能的开发也居于国际最先进的行业水平。中国是制造业大国，制造工艺水平已经有了相当高的水平，全数字产品的特点是性能稳定、一致性好，所以产品的大批量生产也没有任何问题。当然我们同样也可以看到，国内的产业基础比较差，很多设备的设计还是延续传统的步进或者直流有刷伺服的方案，但国内伺服电机的设计生产技术已趋于完善，目前主要是朝标准化，系列化，规模化方向发展，只有一定规模才能有高可靠性和价格低廉而富有竞争力的产品。
二、新型直流伺服电动机的技术发展特点
直流伺服电动机工作原理图
直流伺服电动机可分为有刷直流伺服电动机和无刷直流伺服电动机(矩形波驱动)两种。随着FA和OA自动化的不断发展，新型直流伺服电动机不断问世，产品技术有了新的发展，在FA和OA市场以及其他机电一体化市场得到广泛的普及和采用。目前。国际上新型直流伺服电动机的主要技术发展特点表现在以下几个方面。
2.1薄型、小型化。随着电子整机产品向薄、轻、短、小和数字化、高可靠以及智能化方向发展，使得直流伺服电动机不断向微小型化、片状化发展。
a．UGPMEM-09A12输出80W (新型)
b．PMES-09A2输出100W (传统型)
c．UGPMEM-07A12输出40W (新型)
d．UGPMEM-09812输出30W (传统型)
高性能和复合化方向发展。例如在日本，直径为lO～15mm的直流伺服电动机已是司空见惯，但小型化仍然是制造商们日夜思考的问题，争取达到产品的实际极限。目前，日本已有直径为6.2mm的直流伺服电动机问世。日本安川公司新近开发的直流印制绕组电机系列，采用高磁能积的稀土类磁铁，达到了薄型、小型化之目的。
2.2轻量化。为了实现工业机器人伺服驱动系统具有同人一样的腕与手的操作和灵活性，必须要求电机达到轻量化之目的，国外一般采用扁平形结构的直流伺服电动机。为了进一步达到轻量化的目的，电机采用高磁能积的稀土磁铁和高磁饱和磁场的铁心，并采用了缩短线圈端部绕线方法以及采用钛等轻量材料。此外，在超精密机械驱动方面，国外也非常重视采用超轻量化的小型伺服电动机。
2.3高效率化。由于稀土永磁材料和其他高导磁率软磁材料的出现和广泛应用，使得直流伺服电动机效率大幅度提高。如在OA以及FA市场上得到广泛应用的无铁心无刷电机，由于电枢上不带铁心，又是永磁体激磁，所以电机内部仅存在铜耗，不存在铁耗和涡流损耗，通常效率达65百分之以上。若采用稀士永磁材料，则效率可高达80百分之～90百分之以上。
2.4低噪音化。由于人们对工作环境和舒适化要求的不断提高，使得各种设备的噪音标准也相应地提高。尤其是使用在医疗设备，计算机外围设备以及高保真放音设备上的伺服驱动系统，对降低电机噪音提出了更高的要求。无刷直流伺暇电动机最适合于在上述场合下应用。因为无刷直流伺服电动机采用电子换向，无电刷，所以也就不存在火花和机械摩擦噪音。
2.5低振动化。为了实现伺服电动机在运转过程中的低振动化，目前，通常采用直接驱动(DD)方式．即负载与电机同轴联接，而不是通过齿轮和皮带轮减速。例如，录像机中的磁鼓伺服和主导轴伺服均采用直接驱动方式，这样可以降低视频和音频的抖晃率，提高录像机的录像质量，延长使用寿命。在CD领域内，近年来国外又出现了直接驱动转盘的无刷直流伺服霍尔电机，这种电机转矩大，无脉冲现象．并由石英晶体锁相控制，其转速精度可达=±0.003％。直接驱动方式系统具有刚度高，振动小、定位精度高、回应速度快等优点。因而应用很广。
新型直流伺服电动机与传统的直流伺服电动机相比，具有超小型、超薄型、超轻量。超高效率、超低噪音、超低振动、超低脉动以及超高速回应等特点，国外称之为“超的技术”。
三、伺服电机控制展望
3.1伺服电机控制技术的发展推动加工技术的高速高精化。80年代以来，数控系统逐渐应用伺服电机作为驱动器件。交流伺服电机内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中，交流伺服取代直流伺服、软件控制取代硬件控制成为了伺服技术的发展趋势。由此产生了应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上的交流数字驱动系统。随着微处理器和全数字化交流伺服系统的发展，数控系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。硬件伺服控制变为软件伺服控制后，大大地提高了伺服系统的性能。例如OSP-U10/U100网络式数控系统的伺服控制环就是一种高性能的伺服控制网，它对进行自律控制的各个伺服装置和部件实现了分散配置，网络连接，进一步发挥了它对机床的控制能力和通信速度。这些技术的发展，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强，大大推动了高精高速加工技术的发展。
3.2交流直线伺服电机直接驱动进给技术已趋成熟。数控机床的进给驱动有“旋转伺服电机＋精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动” 两种类型。传统的滚珠丝杠工艺成熟加工精度较高，实现高速化的成本相对较低，所以目前应用广泛。使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。但滾珠丝杠是机械传动，机械元件间存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应会造成运动滞后和非线性误差，所以再进一步提高滚珠丝杠副移动速度和加速度比较难了。90年代以来，高速高精的大型加工机床中，应用直线电机直接驱动进给驱动方式。它比滚珠丝杠驱动具有刚度更高、速度范围更宽、加速特性更好、运动惯量更小、动态回应性能更佳，运行更平稳、位置精度更高等优点。且直线电机直接驱动，不需中间机械传动，减小了机械磨损与传动误差，减少了维护工作。直线电机直接驱动与滚珠丝杠传动相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大达10g，刚度提高7倍，最高回应频率达100Hz，还有较大的发展余地。当前，在高速高精加工机床领域中，两种驱动方式还会并存相当长一段时间，但从发展趋势来看，直线电机驱动所占的比重会愈来愈大。种种迹象表明，直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。
随着微电子学、电力电子学以及表面安装技术(SMT)的不断发展，伺服电动机及其伺服技术的发展也是无止境的。同时，由于电子计算机技术的不断进步，诸如CAD／CAM／CAE（计算机辅助工程）技术的应用，也必须给伺服电动机的设计和制造带来新的飞跃。
关键词：伺服；电机；展望
Abstract: With the development of modern control technology, servo motor and its servo control system is widely applied in many fields, both numerical control (NC) machine tools, industrial robots and factory automation (FA), office automation (OA), home automation (HA) and other fields, all cannot do without the servo motor and its servo control system. This paper mainly analyzes the characteristics of the development of control technology of servo motor and its future prospects.
Key words: servo motor; prospect;
中图分类号：F416.61
一、国内外智能电机技术现状比较
目前国产交流伺服电机及其全数字式伺服驱动器、智能伺服电机已经基本自主开发成功，在国家的大力扶持下，清华大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学等学校的研究所对电机控制的核心算法的研究已经很成熟，而且技术水平可以说完全达到了国际一流的水平;产品功能的开发一般由企业来完成，瑞默森(北京)科技有限公司从2001年起一直从事智能伺服电机驱动器的产品化和产业化的研发，目前已经批量生产的各种型号的智能电机和伺服驱动器都具有很完善的功能，包括：电流环、位置环、速度环的PID参数实时自动调节，电机参数自动识别，电机运动控制功能，CAN总线等，结合上位机的可视化的调试和编程界面等功能。可以看到对智能电机的功能的开发也居于国际最先进的行业水平。中国是制造业大国，制造工艺水平已经有了相当高的水平，全数字产品的特点是性能稳定、一致性好，所以产品的大批量生产也没有任何问题。当然我们同样也可以看到，国内的产业基础比较差，很多设备的设计还是延续传统的步进或者直流有刷伺服的方案，但国内伺服电机的设计生产技术已趋于完善，目前主要是朝标准化，系列化，规模化方向发展，只有一定规模才能有高可靠性和价格低廉而富有竞争力的产品。
二、新型直流伺服电动机的技术发展特点
直流伺服电动机工作原理图
直流伺服电动机可分为有刷直流伺服电动机和无刷直流伺服电动机(矩形波驱动)两种。随着FA和OA自动化的不断发展，新型直流伺服电动机不断问世，产品技术有了新的发展，在FA和OA市场以及其他机电一体化市场得到广泛的普及和采用。目前。国际上新型直流伺服电动机的主要技术发展特点表现在以下几个方面。
2.1薄型、小型化。随着电子整机产品向薄、轻、短、小和数字化、高可靠以及智能化方向发展，使得直流伺服电动机不断向微小型化、片状化发展。
a．UGPMEM-09A12输出80W (新型)
b．PMES-09A2输出100W (传统型)
c．UGPMEM-07A12输出40W (新型)
d．UGPMEM-09812输出30W (传统型)
高性能和复合化方向发展。例如在日本，直径为lO～15mm的直流伺服电动机已是司空见惯，但小型化仍然是制造商们日夜思考的问题，争取达到产品的实际极限。目前，日本已有直径为6.2mm的直流伺服电动机问世。日本安川公司新近开发的直流印制绕组电机系列，采用高磁能积的稀土类磁铁，达到了薄型、小型化之目的。
2.2轻量化。为了实现工业机器人伺服驱动系统具有同人一样的腕与手的操作和灵活性，必须要求电机达到轻量化之目的，国外一般采用扁平形结构的直流伺服电动机。为了进一步达到轻量化的目的，电机采用高磁能积的稀土磁铁和高磁饱和磁场的铁心，并采用了缩短线圈端部绕线方法以及采用钛等轻量材料。此外，在超精密机械驱动方面，国外也非常重视采用超轻量化的小型伺服电动机。
2.3高效率化。由于稀土永磁材料和其他高导磁率软磁材料的出现和广泛应用，使得直流伺服电动机效率大幅度提高。如在OA以及FA市场上得到广泛应用的无铁心无刷电机，由于电枢上不带铁心，又是永磁体激磁，所以电机内部仅存在铜耗，不存在铁耗和涡流损耗，通常效率达65百分之以上。若采用稀士永磁材料，则效率可高达80百分之～90百分之以上。
2.4低噪音化。由于人们对工作环境和舒适化要求的不断提高，使得各种设备的噪音标准也相应地提高。尤其是使用在医疗设备，计算机外围设备以及高保真放音设备上的伺服驱动系统，对降低电机噪音提出了更高的要求。无刷直流伺暇电动机最适合于在上述场合下应用。因为无刷直流伺服电动机采用电子换向，无电刷，所以也就不存在火花和机械摩擦噪音。
2.5低振动化。为了实现伺服电动机在运转过程中的低振动化，目前，通常采用直接驱动(DD)方式．即负载与电机同轴联接，而不是通过齿轮和皮带轮减速。例如，录像机中的磁鼓伺服和主导轴伺服均采用直接驱动方式，这样可以降低视频和音频的抖晃率，提高录像机的录像质量，延长使用寿命。在CD领域内，近年来国外又出现了直接驱动转盘的无刷直流伺服霍尔电机，这种电机转矩大，无脉冲现象．并由石英晶体锁相控制，其转速精度可达=±0.003％。直接驱动方式系统具有刚度高，振动小、定位精度高、回应速度快等优点。因而应用很广。
新型直流伺服电动机与传统的直流伺服电动机相比，具有超小型、超薄型、超轻量。超高效率、超低噪音、超低振动、超低脉动以及超高速回应等特点，国外称之为“超的技术”。
三、伺服电机控制展望
3.1伺服电机控制技术的发展推动加工技术的高速高精化。80年代以来，数控系统逐渐应用伺服电机作为驱动器件。交流伺服电机内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中，交流伺服取代直流伺服、软件控制取代硬件控制成为了伺服技术的发展趋势。由此产生了应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上的交流数字驱动系统。随着微处理器和全数字化交流伺服系统的发展，数控系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。硬件伺服控制变为软件伺服控制后，大大地提高了伺服系统的性能。例如OSP-U10/U100网络式数控系统的伺服控制环就是一种高性能的伺服控制网，它对进行自律控制的各个伺服装置和部件实现了分散配置，网络连接，进一步发挥了它对机床的控制能力和通信速度。这些技术的发展，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强，大大推动了高精高速加工技术的发展。
3.2交流直线伺服电机直接驱动进给技术已趋成熟。数控机床的进给驱动有“旋转伺服电机＋精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动” 两种类型。传统的滚珠丝杠工艺成熟加工精度较高，实现高速化的成本相对较低，所以目前应用广泛。使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。但滾珠丝杠是机械传动，机械元件间存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应会造成运动滞后和非线性误差，所以再进一步提高滚珠丝杠副移动速度和加速度比较难了。90年代以来，高速高精的大型加工机床中，应用直线电机直接驱动进给驱动方式。它比滚珠丝杠驱动具有刚度更高、速度范围更宽、加速特性更好、运动惯量更小、动态回应性能更佳，运行更平稳、位置精度更高等优点。且直线电机直接驱动，不需中间机械传动，减小了机械磨损与传动误差，减少了维护工作。直线电机直接驱动与滚珠丝杠传动相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大达10g，刚度提高7倍，最高回应频率达100Hz，还有较大的发展余地。当前，在高速高精加工机床领域中，两种驱动方式还会并存相当长一段时间，但从发展趋势来看，直线电机驱动所占的比重会愈来愈大。种种迹象表明，直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。
随着微电子学、电力电子学以及表面安装技术(SMT)的不断发展，伺服电动机及其伺服技术的发展也是无止境的。同时，由于电子计算机技术的不断进步，诸如CAD／CAM／CAE（计算机辅助工程）技术的应用，也必须给伺服电动机的设计和制造带来新的飞跃。