关键词：交流伺服系统，五轴联动，技术创新，高速高精度
一、引言
装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征，而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床。五轴联动数控机床对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。现在，大家普遍认为，五轴联动数控机床是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。
伺服驱动技术作为五轴联动数控机床的关键技术之一，其在国内的发展还处在初级阶段。目前国内具有自主知识产权的伺服产品还只能使用在普通的数控机床上，定位精度一般在几个微米。无论是性能还是可靠性，都不能满足五轴联动数控机床的要求。
埃斯顿公司作为一个专业的交流伺服系统研发及制造厂家，成功取得了江苏省科技厅“高档数控系统、高速高精度伺服控制系统及其典型主流机床关键共性技术开发”的重点科研项目。在此项目中，特别针对五轴联动数控机床对交流伺服系统的高速高精度要求进行了深入研究。现在，终于研制出埃斯顿公司的新一代全数字交流伺服系统——PRONET系列。该系列产品功率范围从0.5kW到15kW，可全系列地覆盖包括数控机床在内的各种机械自动控制应用行业。
二、交流伺服系统的技术创新
埃斯顿PRONET系列全数字交流伺服系统采用了多项新技术、新工艺，其中主要包括以下几点：
1、PRONET系列伺服驱动器采用了最新的数字信号处理器，其数据处理能力由16位提高到32位，主频提高到百兆以上。在数字化电流环路中增加了电流前馈控制，凭借32位数字信号处理器的高速运算能力，使得电流环的运行时间大大缩短，只需要十几微秒的时间，完全可以和国外产品通过将控制算法固化在专用硬件环路来实现电流环控制的方法相媲美，通过将电流检测的精度提高到16位，使得电流环的转矩控制精度有了进一步的提高，实现了在稳态运行以及瞬态运行时均能保持良好的性能。凭借全新的针对高速高精控制要求而特别设计的软、硬件平台，PRONET系列伺服驱动器以最佳的控制大大缩短了调整时间，仅为本公司以往产品的1/5，实现了出类拔萃的响应性。
2、新一代的伺服电机采用了新型的高分辨率串行编码器，这种编码器信号线的数量减少到5根．并且支持增量型及绝对值型两种类型，通信速率为5M，最长通信周期为16us，编码器分辨率为17bits／rev，即每转生成131072个脉冲。将来最高可扩展到22bits/rev，即每转生成4194304个脉冲，从而为纳米级定位控制奠定了基础。在伺服驱动器中通过大规模可编程器件将自主研发的串行编码器数据解码功能和速度实时检测功能集成为一体。一方面，使电机的低速性能得到了进一步的提高，速度波动、转矩波动减至最低；另一方面，也提高了定位精度，新的控制算法使位置控制的整定时间也缩短为原来的1／5。
3、为了使用户更加灵活地使用伺服系统，PRONET系列伺服驱动器率先增加了可扩展性以及柔性化、开放性的设计。通过选件模块，可扩展各种通信接口以及各种反馈接口。
1）PROFIBUS-DP总线模块
对应PROFIBUS-DP通信网络。伺服信息（位置、速度、转矩、输入输出、报警等）的读出和各种指令的变更，可以通过实时控制来实现。一个上位控制器可以最多实现31个站点的多轴运动控制。
2）全闭环选件模块（研发中）
伺服控制一般均采用从电机轴端的位置编码器采集位置信号进行反馈，即半闭环控制方式；在受控执行机械部分没有反馈采样信号。PRONET系列伺服驱动器将通过全闭环选件模块，为用户提供全闭环控制功能，使机械加工误差、齿轮间隙、结构受力弹性变形等误差所造成的影响，在伺服驱动器中通过计算完成修正。
4、在全数字环境下，PRONET系列伺服驱动器实现了软件化伺服控制，并且采用了多项新算法。其控制的主要算法包括电流前馈控制、速度前馈控制、位置前馈控制、变增益控制、自抗扰控制、模式跟踪控制、制振控制、在线惯量自动识别控制等，通过这些功能算法，使其响应性、稳定性、准确性、可操作性达到了很高的水平，强化了对超调的抑制以及对振动的抑制。由于新控制算法的扩充，即使低刚性机械其定位整定时间亦可缩短1/3（与本公司以往产品相比较）。
5、PRONET系列伺服驱动器彻底追求了使用的简便性，自动测定机械特性并设置所需要的伺服增益，实现了“在线自动调整功能”。自动的进行与机械特性相吻合的伺服系统的调整，使伺服系统的调试时间缩短，操作更加简单。即使初次使用，也可在短时间内完成最佳设定。
6、PRONET系列伺服驱动器采用主回路与控制回路进行电气隔离的结构，使操作及故障检测更加方便安全。并且功率从原来的5kW扩展到15kW，其中，0.5-5KW采用三相200V供电，7.5-15kW采用三相400V供电。
7、随着永磁材料制造工艺的不断完善，埃斯顿公司新一代的伺服电机采用了最新的Nd2FeI4B1（铷铁硼）材料，该材料的剩余磁密，矫顽力、最大磁能积均好于其他永磁材料，再加上合理的磁极、磁路及电机结构设计，极大地提高了电机性能，同时又缩小了电机的外型尺寸。伺服电机的功率范围从0.5kW到15kW。伺服电机的电源电压范围从200V到400V。
三、未来的展望
全数字化交流伺服系统的应用领域越来越广，用户对伺服系统技术的要求越来越高。因而，未来交流伺服系统必将进一步发展完善。下面就埃斯顿的伺服系统今后的发展方向作一个介绍。
1、高性能化
未来的伺服系统在性能方面主要从两方面开发进行改善。首先提高伺服电机本体的性能，采用新工艺和新结构，在缩小体积的同时进一步加大输出转矩，优化其输出效率。其次，改进伺服驱动器的性能。在硬件上采用高速DSP、ASIC、IPM智能功率器件，在软件上采用新的控制理论，提高运算速度和电流控制精度。检测反馈环节将在分辨率、多功能性上大幅度提高。不久的将来，更加小型化、多功能化的位置检测器件也将投人使用。
2、小型化
在伺服电机中使用高性能永久磁性材料，改进磁场构造，优化绕线技术、冷却技术。
3、软件化
在伺服驱动器中使用超大规模集成电路，将更多的硬件结构软件化。
4、网络化
网络化技术将驱动部分、运动控制、上位控制和主计算机（中央处理器）通过网络连接，构成一个整体的系统解决方案，通过网络高速传输数据，进行整体一元化管理，使机械调整、故障诊断更加简单可靠，甚至通过互联网进行异地管理、控制及维护。
5、环境适应性
未来的伺服系统将在抗干扰、低噪音等方面进行改善，以弱化对环境的要求和减少对环境的干扰。
总而言之，埃斯顿的交流伺服系统技术将向更高性能、更快速度、更强的全数字化、高智能的驱动控制方向发展。
参考文献：
[1] 李成桐 张敬宾 丁原彦，新一代伺服系统的现状与展望，国内外机电一体化技术，1999.4
