Technology Cathedra for AC Permenant-Magnet Servo System
第一讲：伺服技术的基本概念
郭庆鼎 赵希梅
（沈阳工业大学 电气工程学院 辽宁 沈阳 110023）
一、“伺服”的由来
“伺服”一词系英语单词“servo”的音译和义译的结合，它来源于拉丁语servus，意为奴隶、仆人；汉语中的“伺”有侍奉、“服”为服从之意，合起来“伺服”一词的汉语与英语的意义也是相同的。
在奴隶社会中，奴隶必须无条件的按主人命令行事，侍奉主人，服从主人的意志，为主人服务。近代人们把这个社会学中的名词，引申到技术领域的机械运动控制中，表示运动机械必须按照控制器发出的控制命令要求，准确无误地实现运动。一般来说，伺服系统是以被驱动 机械物体的位置（姿态）、速度、加速度等变量为被控量，使之能随指令值的任意变化进行追踪的控制系统。由此可见，不论从它原本的社会学意义或它引申出来的工程意义上来看，“伺服”的基本特征就是“服从”和“追踪”，深刻地认识这一点是有意义的。
这样看来，伺服系统可以认为是随动控制系统，既可以认为是速度随动控制，也可以认为是位置随动控制。从广义的角度上看，电动机的调速系统也可以认为是伺服控制的一种，只不过在调速系统中，特别是功率较大的装置，所强调的被调量是电动机的转速，所看重的是更加高效率地实现功率变换。在通常情况下，速度给定量是恒定的，起动的速度平稳，静态误差小是其追求的主要目标。而伺服系统一般的功率较小，要求输出忠实地跟踪控制器所发出的命令，并能产生足够的力或力矩，使被驱动的运动机械获得所希望的加速度、速度和位置（位姿）。当然，在伺服控制中，也存在对系统功率进行放大、变换与调控等处理，虽然在这一点上与调速系统一致，但它控制的出发点却是要求追踪任意变化的控制命令，并且要求实现精确位置跟踪控制。 覆膜胶二、伺服技术简史
最早的伺服系统应用是开始于军事装备的位置控制上，即1886点钞机
电机年所发明中。在水 中应保持在一定的水深中推进。它是以贮气筒内的压缩空气为动力推进螺旋桨，以气压陀螺为方向检测器，以气压舵导航，用水压计测水深，并用气压沉浮舵控制它在水中的深度。整个控制系统是以实现方向和水下深度一定击中对方舰只为目标。继之后，航船也实行自动导航。实际上比控制还要简单，因为船是浮在水平上的，不必象那样要测水深，只需用陀螺盘为方向检测器即可。第一次世界大战后，飞机也实现了自动驾驶。这种初期的伺服机械系统主要用于运载物体或空间运动体的自动控制上。然而，那时并没有明确的“伺服”概念，直到1934年，美国人H•黑曾（Hazen）在论文《关于伺服机构理论》中才第一次提出了伺服机构（无人机控制系统servomechanism）这个词，标志着伺服控制理论的诞生。
在第二次世界大战中，由于战争的需要，以美国麻省理工学院雷达研究室为中心，致力于研究自动跟踪飞机的雷达伺服系统，不仅研究出了伺服系统的硬件结构，而且提出了切实可行的设计方案，发展了作为自动控制系统的一个新分支——伺服系统的控制理论，形成目前众所周知的频率响应法。结合雷达天线伺服跟踪的研究，形成一系列有关伺服系统的基本概念。与此同时，在工业领域中广为应用的反馈控制理论已形成了独立的控制体系，更加充实了伺服控制技术。
在二次大战刚结束不久，美国空军在生产飞机时，为了减轻机体的重量，要求凡不影响结构强度的金属部分都要切削掉。因此，对飞机零件的切削加工量很大，而且每改变一次机型都要进行一次大切削加工，零件形状越是复杂，切削困难也越大。为了缩短生产周期，空军方面迫切要求探索加工复杂零件的新技术。为回应这种要求，经过数年的努力，麻省理工学院伺服机构研究室于1952荧光法溶解氧年宣布开发成功了世界上第一台数控铣床。这标志着伺服技术登上了金属切削机床的加工领域，从此伺服技术与装备成为机床不可或缺的组成部分了。研究人员于1952年提出“数控伺服机构”的专利申请，历时10年的考核，于1962年才获得专利批准，震动了当时的数控技术界，这说明了伺服技术的重要性。从此，“伺服”才从理论概念中走出来，被权威部门认证，正式从军事装备应用过渡到数控机床，表明了伺服技术整体上的成熟，奠定了它在国民经济、军事装备等领域中不可或缺的地位。并且开始了新的发展时期。
上世纪50年代开发出的数控机床，其伺服驱动主要是步进电动机伺服系统，由于受大功率晶体管功率的限制，步进电机的输出功率一直难以提高。当时的数控机床受制于伺服系统的约束，机床的切削量很小，效率也低，只用于复杂型面的加工。在1959年，日本FANUC公司研制出了电液脉冲马达，即步进电机加液压扭矩放大器，由于新的执行元件大
大提高伺服系统输出力矩，克服了单一步进拖动的缺点，因此扩大了数控机床的应用范围，60年代几乎是电液伺服的全盛时期。但由于液压机构存在着噪声、漏油、效率低，不便维护等固有缺点，推动了电动伺服技术的研究。由于普通直流电动机本身的惯量较大，难以满足伺服系统对动态响应的要求，而提高电机的峰值加速转矩当时又受到限制，所以人们企图减小电机的转动惯量来提高响应的快速性。日本安川电机厂于1963年研发出了一种无槽小直径转子的所谓小惯量直流伺服电动机。但由于其自身的惯量很小，快速性是提高了，可又出现了新问题，由于与所带的机械负载惯性不易匹配，降低了带负载能力，因此未得到推广应用。
在此期间，美国盖梯斯公司另辟蹊径，通过提高直流电动机的加速扭矩来提高其快速性。在1969年推出了所谓大惯量直流伺服电动机，虽然电机转子直径加大了，使惯量大增，但对电机通以10～15倍的额定电流，因磁性材料和设计方法的改进使峰值转矩大增，达到较高的扭矩/惯量比。正是由于电机的转子惯量大，容易使之与所带负载惯量实现匹配，使得原来极力避免的大惯量而在这里变成了优点。由于它能瞬时输出数倍的额定转矩，使动态响应大大加快，而被广泛应用于各种伺服领域。日本FANUC公司于1974年购买了美国的专利并结合晶体管PWM技术，随后推出了大惯量直流电机闭环伺服系统，广泛用在机床中，
并且结束了由它自己开创的电液开环伺服系统。
大惯量直流伺服系统曾风行于70年代末到80年代初的十多年时间内。但由于直流电机存在着机械换向器和电刷等诸多问题，终于难逃被交流伺服所取代的命运。
1983年美国通用电气公司开发出感应型交流伺服电动机驱动系统，因其机构简单、可靠性高、成本低、电机容量不受限制和机械惯性小等优点，开创了人们梦寐以求的交流伺服系统的新时代，它获得与直流伺服相同性能，但无直流电机机械换向器之虞的优点，而倍受欢迎。
与此同时，由于感应式交流伺服电动机伺服系统是基于矢量变换控制，控制上较复杂，转子回路存在电流，低速时易发热。因而，为进一步克服这些不足，而发扬交流伺服电动机的长处。欧美等先进国研发出同步型永磁交流伺服电动机伺服系统。它比感应型更为简单，由转子上的永磁体提供二次磁通，革除了转子回路，转子不存在发热问题，使控制更加简单方便，输出力矩更大，线性更好。因而它成为交流伺服系统应用的主流。到目前为止，它主导交流伺服系统发展时间达到了近自动检测系统20年。
从伺服驱动的发展过程来看，除了电液脉冲马达已被淘汰外，其它型式的驱动都有自身的某些特定市场。大、小惯量直流伺服驱动系统虽有应用，但却日渐式微。对步进电机系统来说，由于开环控制，简单廉价，除用在小型经济型数控设备上外，还广泛应用于计算机外部设备、打字机、通讯设备、医疗设备等许多领域。至于交流伺服，特别是同步型永磁式交流伺服系统在计算机、高精度传感器、高频大功率器件、控制理论、高性能永磁材料等高水平物质基础和理论基础的支撑下，在性能指标方面，达到几近完善程度了。
90年代中期以后，在国际上机床行业掀起了一股直线电动机伺服系统的应用热潮。早在1986年，美国Anorad工厂在1MTS-86’芝加哥国际机床博览会上展出了该厂生产的直线伺服电动机驱动的高精度机床工作台。此外，美国Ingersoll铣床公司，德国EX-cell等厂家先后在90年代之后的几届国际机床博览会上都展有直线伺服电动机驱动的数控机床，并且其势头越来越热，方兴未艾，成为新一代数控机床最具代表性的先进技术，是伺服技术的一次重要突破。其主要的特点，因其消除惯性较大的机械传动链，而成为“零传动”。所以快速性与反应能力大为提高，加速过程快、速度高，同时提高了传动刚度和精度。由于直线伺服驱动的高速响应性和高精度性，成为下一代新机床进给伺服驱动的主力。
但直线电机存在着散热、隔磁、抗扰动等问题，需要较多的相关的配套技术，它以整台位移装置的形式存在，不象旋转电机那样仅以单机出现，这就导致了机床结构的变化，需要重新设计，多少年来已习惯于“旋转伺服电机+滚珠丝杠”进给形式的机床设计一下子改变了过来也并非易事。再加上直线伺服系统价格较高等原因。因此，虽然直线伺服系统优点突出，应用的呼声很高，但在国内机床上的实际应用依然是凤毛麟角，好似正在待机而动。
三、伺服技术的发展趋势
上面，从执行元件的发展历程，概略地介绍了伺服技术的发展情况。由于伺服技术是一项综合性复合技术，涉及的领域很宽，哪一方面的发展势态都可能对其产生重要影响。电子技术、新材料、电力电子器件、电机理论与自动控制理论、计算机技术、传感器技术等诸方面，在不同时期，都曾经促进了伺服系统中不同的执行元件的出现和发展，今后仍将是如此。
根据过去的发展经历和当前的现状，我们将憧憬并期待着未来的伺服系统朝着以下方向发展。
（1）包括执行电机和控制器在内的伺服系统必须在保持要求输出能力的情况下，体积更小，重量更轻，跟踪性和抗扰性都更强，鲁棒性更强健，适应更广泛的应用。
（2）要实现小型化，进一步实现微型化，突破常规伺服尺寸的范围，进入微制造领域以满足微制造领域内的精密快速伺服定位的需要。
（3）大力研发永磁直线伺服驱动，并实现磁悬浮伺服驱动，彻底消除摩擦影响，确保高反应能力和高精度，变革当前机床进给系统。
（4）软件伺服突破传统PID控制理论框架，将先进控制方法，包括现代控制理论成果，以伺服软件模块化的方式提供给用户。用户能根据需要任意选用和组合，使应用具有极大的灵活性和适应性。
(以下为第二讲,第一讲为满3p)
交流永磁伺服系统技术讲座
Technology Cathedra for AC Permenant-Magnet Servo System
第二讲：伺服系统的组成sim卡托(一)
沈阳工业大学 电气工程学院 郭庆鼎 赵希梅
