交流伺服系统的应用

数字伺服控制器与模拟伺服控制器相比，具有下列优点：
（1） 能明显地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现，硬件费用会变得很便宜。体积小、重量轻、耗能少是它们的共同优点。
（2） 可显著改善控制的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时（MTBF）大大长于分立元件电子电路。
（3） 数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。
（4） 硬件电路易标准化。在电路集成过程中采用了一些屏蔽措施，可以避免电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，因此可靠性比较高。
（5） 采用微处理机的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位系统机联运，可随时改变控制参数。
（6） 可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法；以满足不同的用途。软件模块可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。
（7） 提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力,使伺服系统更趋于智能化。
（8） 随着微机芯片运算速度和存贮器容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。

伺服电机的缺点是电机的转子温度过高容易失磁。
现在大部分的场合都在用，因为伺服电机比异步电机有很多好处。
伺服电机(servo motor )是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械，比如纺织机械、印刷机械、包装机械、医疗设备、半导体设备、邮政机械、冶金机械、自动化流水线、各种专用设备等。其中伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过75%。
在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准，部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点。90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，高速电主轴单元转数在30000rpm～100000rpm，工作台的进给速度在分辨率为1μm时达到100m/min，甚至200m/min以上，在分辨率为0.1μs时，在24m/min以上。当今数控机床突出高速、高精、高动态、高刚性的特点，对位置系统的要求包括：定位速度和轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态、动态特性。我们已经看到国产伺服系统比如广数的产品在经济型数控机床上的广泛应用，但是在中高档数控机床上采用国产伺服系统仍然面临困难，性能是一个重要方面，还有就是稳定性和可靠性，或许品牌效应也是难以短时间逾越的障碍。
在机器人领域，无刷永磁伺服系统得到大量应用。工业机器人拥有多个自由度，每台工业机器人需要的电机数量在10台以上。目前世界范围内工业机器人拥有量超过100万台，机器人的需求量年增长在30%以上。国际上工业机器人采用的伺服系统属专用系统，多轴合一，模块化，特殊的散热结构，特殊的控制方式，对可靠性要求极高。国际机器人巨头都有自己的专属伺服系统配套，比如安川、松下和ABB，这方面国内差距明显。国产工业机器人厂家仍然在采用标准的进口交流伺服系统，国产伺服系统想进入工业机器人配套领域，就更加遥远。不过，我们也看到在一些特殊机器人领域，比如反恐防爆机器人、矿井救灾机器人等轻便移动机器人，采用了国产基于低压直流供电的微型无刷伺服系统，比如和利时电机的蜂鸟系列就获得了成功。当然，在更广泛的机器人领域，需要的不仅仅是交流伺服电机，还包括各种其他微特电机，如直流伺服电机、直线电机、测速发电机、旋转变压器、力矩电机等。
纺织行业当前应用伺服的比例很低，但却是未来交流伺服大批量应用的重要行业之一。从90年代初期至今已经15年，纺织行业技术进步主要是依靠变频化、PLC化。只有少量纺织机械采用了高档伺服技术，用于提高精度和效率，目前已有高档梳棉机、带自调匀整的并条机、新型粗纱机、数控细纱机、分条整经机、浆纱机、园网印花机等设备应用了交流伺服。无梭织机上已经开始采用带交流伺服的电子送经和电子卷取，印染设备上也要用到伺服系统。这些设备每年的伺服用量在2、3万套左右，且几乎全部是进口产品，如Lenze、Danaher、Siemens和Baumuller，还有三菱和松下等。价格是制约交流伺服大面积普及的主要因素，国产产品虽然在价格上有一定竞争优势，但是性能指标、可靠性和环境适应性等方面存在欠缺，还需要在品牌塑造、服务、交货期等方面不断改进。在如下两个方面，我们可以看到国产伺服厂家的成功案例，一个是在工业缝纫机上，近几年国产伺服控制器逐渐取代台湾和其他进口品牌变成市场主流，凭借低成本的电机、简单的低线数编码器，以及集成控制和驱动，在解决了批量稳定性之后，如上海鲍麦克斯这样的国内品牌获得了成功。每年数十万台的产量，这可能是未来几年里，低档伺服最大的市场了。另外一个紧密结合用户需求进行创新开发的案例，可以举和利时电机开发的络丝机控制系统。“络丝机”是属于织造前工序的精密工艺设备，将各种天然丝络成各种规格的柱状、宝塔形、双锥形筒子，供用于染色、整经、针织等后道工序。该公司充分利用自己在步进、无刷、伺服、运动控制、网络通讯等方面的综合技术，通过和国内最大纺机集团的密切合作，开发成功了精密络丝机控制系统，其核心是利用高动态的伺服横动电机以及数字卷绕技术，取代传统的机械传动而实现单锭化和数字化，每锭之间依靠CAN总线联系，是无轴技术应用的典范。该产品的研发成功充分体现了国内厂商的竞争能力，为国产伺服厂商开辟了参与市场竞争的新路。
无轴（电子轴）传动技术在印刷机上应用，也是目前全球印刷企业和机械制造商的焦点。无轴传动就是用多个单独的伺服电机取代传统的机械传动链，伺服驱动器之间依靠高速现场总线进行联系，通过软件保证各伺服轴对内部的虚拟数字电子轴保持严格同步。采用无轴传动技术为印刷机的生产制造、为印刷业服务革命带来了最佳解决方案，目前欧洲50%的凹印机采用了无轴技术，日本也有30%以上采用。其他采用无轴传动的机械包括卷筒纸印刷机、柔印机、上光机、烫金机、模切机等各类印刷设备。这一领域最顶级的伺服控制解决方案提供商是来自德国的博世力士乐、伦茨、日本的住友和奥地利的贝加莱。国内目前仅有北人和松德等个别厂家进行无轴传动印刷机的开发，部分规格的性能指标接近国际水平，但是其采用的电子轴传动伺服系统和套准控制系统均来自日本和欧洲，国内相关伺服厂家还鲜有涉足。国产伺服和控制系统要达到这个领域的要求，需要顶级的技术水平和对这个行业的透彻理解，看来还有漫长的路要走。
包装设备上，采用伺服控制可以提高单位时间的产量、提高资源利用率、增加品种适应性和提高产品质量，因此交流伺服在包装机械上的广泛使用只是时间问题。采用数字伺服技术的电子齿轮和电子凸轮将代替传统机械部件，随着价格的下降，成本也逐渐接近纯机械的方案。欧洲有个Elau公司专门针对包装机械设计开发数字伺服和运动控制解决方案，在大型连续包装设备方面居于领先地位，而中国尚没有出现如此专业的解决方案提供商。
这几年出现的新型电梯曳引机，采用永磁同步伺服电机做无齿轮直接驱动，取代变频异步驱动，具有更高的控制精度、动态特性、高效率、低噪声，已经成为国际和国内主要电梯厂的热点产品，促进了电梯产业的革命。国内已有宁波申菱、沈阳博林特等电梯厂家研制出了自己的曳引机电机产品，配进口矢量控制变频器或伺服驱动器。