舒志兵 （1965-）

男，南京工業大學自動化學院運動控制研究所所長，現任“中國人工智能學會智能檢測與運動控制專業委員會”秘書長。長期從事測控技術，運動控制，傳感器技術，電力電子技術及電氣控制系統研究，主要研究方向有: 機器人、非線性多變量控制、變頻調速、交直流傳動、伺服運動控制、DSP技術、現場總線、數控系統及其機電一體化系統等。

摘要：很多業內人士認為，中國的設備制造業在未來五年將會有很大的變化，主要表現在對自動化設備的要求越來越高。隨著全球制造中心大舉向中國轉移，不可避免的激烈競爭將加大制造業對高端自動化產品的需求，中國的運動控制和機器視覺市場將因此進入高速發展階段。機器視覺與運動控制、網絡通訊等技術的結合正在改變現代工業化生產。由于具有精度高、速度快和工業現場環境下的可靠性好等特點，機器視覺已經廣泛用于工業自動化生產和測試設備。如零件裝配完整性、裝配尺寸精度、零件加工精度、位置／角度測量、零件識別和特性／字符識別等。本文主要介紹全數字高精智能型伺服總控系統發展趨勢與驅動技術。

1  總控系統概述

    全數字高精智能型伺服總控系統設計遵循IEC系列國際標準，滿足ISO國際標準，運用目前世界上最先進的可編程計算機控制器（PCC）與先進伺服驅動系統實現整個系統功能。系統按分布式結構設計，采用開放系統，分層控制等先進的計算機設計思想，將先進伺服驅動控制技術，現場總線技術，計算機技術，通信和網絡技術，數據庫技術，圖形和圖像技術，多媒體技術，數據采集和可編程控制技術有機地結合在一起，這套控制系統以其先進的總線型多軸運動控制，分時多任務高速的運算處理能力演繹了自動化系統的完美強大，完全滿足近期一切功能要求，設計理念超越了對控制系統的普通理解，充分考慮了系統的擴充性和遠期發展，具有前瞻性。整個系統具有技術水平先進、自動化程度高，操作簡單、顯示直觀、調節性能穩定、運行可靠、抗干擾能力強、維護方便等優點。

    全數字高精智能型伺服總控系統中工業級控制顯示操作站選用人機界面觸摸式圖文控制顯示單元：一體化嵌入式工業控制計算機，這種嵌入式系統為機器的運行和監視設立了一個新的標準。這種產品是在電源、功能、安全操作等方面達到新水平的一個自動控制系統，系統應用范圍廣泛。它完全地集成了監控設備所需的一切功能，體現了最優性能和最小尺寸的最佳組合。嵌入式工控機有專用嵌入式操作系統，在這個操作系統上使用c語言或者basic高級語言編程，可以實現豐富多彩的功能。軟件開發工具能夠實現顯示、控制、驅動和通信任務的簡單配置和編程。這種嵌入式一體化人機界面設備具有廣闊的前景，可廣泛應用于許多領域。

    全數字高精智能型伺服總控系統是具備電流環，速度環與位置環的先進伺服系統，保證了單機的位置控制精度，同時通過高速現場總線接口實現多軸的精確位置同步控制。所有這些伺服控制器都連接在高速現場總線上，由計算機可編程控制器進行集中控制與管理。

    全數字高精智能型伺服總控系統選用高速現場總線的優點體現在以下方面：

    （1）高速現場總線傳輸速率極高，采用星型網絡連接，計算機可編程控制器控制多臺伺服，同步循環時間只需幾百微秒。同步循環時間越短，則同步的動態響應性能越好。這直接體現出來在機器啟停、加減速時候的同步性能。實際經驗表明，采用高速現場總線技術的伺服系統，不僅在穩速的時候有極佳的同步效果，即使在機器頻繁加減速、啟停的情況下，也可以保證精確的同步性能，保障控制精度。

    （2）所有伺服控制器連在同一個現場總線上，由一個中央控制器集中控制。這樣可以保證各伺服控制器實時收到各自的位置指令，這是高速同步的前提條件。

2  全數字高精智能型伺服總控系統驅動技術發展方向

2.1 驅動技術的全數字化

    全數字高精智能型伺服總控系統伺服驅動的所有控制運算都是由內部的數字信號處理器DSP完成，其實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令程序，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。伺服驅動器內部的三環控制在內部高速DSP控制下，充分體現了伺服環路高響應、高性能、高可靠性和高速實時控制的要求。

2.2 驅動系統的集成一體化

    為使伺服驅動系統的設計更具功能化，“智能化電機”和“智能化伺服驅動器”的發展成為伺服驅動系統的集成一體化的新發展方向。“智能化電機”是指集成了驅動和通訊的電機，“智能化伺服驅動器”是指集成了運動控制和通訊的驅動器。這樣，電機、驅動器和控制的集成使三者從設計、制造到運行和維護都更加緊密地融合到一體。可使速度前饋、加速度前饋、低通濾波、凹陷濾波等新的控制算法得以實現。由International Rectifier公司推出的一種全新方法為電機控制器展現了一個集成設計平臺，從簡捷的元器件選型過程到數字控制芯片的定制配置等都可以利用基于PC的圖形化工具以簡化設計流程。該平臺包括相互兼容的IGBT和功率開關電路，數字控制硬件，以及電流傳感元件，由于該元件采用了高壓集成電路（HVIC）技術，因而比霍爾效應或磁阻傳感器小巧而且簡單。另外，將功率級和模擬控制電路以及保護等集成起來就產生了一種集成功率模塊，因此允許新型控制器以相同甚至更小的外形尺寸取代傳統驅動器。

2.3 驅動系統的網絡化、智能化、模塊化

    隨著計算機網絡技術的發展，在機器故障診斷方面，使得人們可以通過Internet及時了解伺服系統參數及實時運行情況，并可以根據嵌入的預測性維護技術及時了解如電流、負載的變化情況，外殼或鐵心溫度變化情況，實時實現預警。為應對更加復雜的控制任務，模糊邏輯控制、神經網絡和專家系統已經應用到伺服驅動系統中，是當前比較典型的控制方法，目前市場上已有較為成熟的專用芯片，其實時性好，控制精度高，在全數字高精智能型伺服總控系統設計中已得到比較廣泛的應用。

2.4 驅動系統的高速度、高精度、高性能化

    電機和驅動方式的改進和更高運行速率的DSP等使伺服驅動系統向著更高速度、更高精度、更高性能的方向發展。電機方面的改進，主要包括電機永磁材料性能的改進，更好的磁鐵安裝結構設計，逆變器驅動電路的優化，加減速運動的優化，再生制動和能量反饋以及更好的冷卻方式等。驅動方式的改進方面如采用無齒槽效應的高性能旋轉電機和采用直線電機的線性伺服驅動方式，由于取消了中間傳遞環節，消除了中間傳遞誤差，從而實現了高定位精度和高速化，且根據直線電機容易改變形狀的特點，還可以使采用線性直線機構的各種裝置實現小型化和輕量化，加之速度更快的DSP，應用自適應、人工智能等各種控制方式不斷將伺服系統的性能指標提高。在第12屆中國（廣州）國際工業控制自動化及儀器儀表展（CHIFA 2008）上，一些工業發達國家在高速、高精技術方面仍處于領先水平。如德國倍福（Bechoff）攜AX5000系列伺服驅動器全新亮相，其開創了伺服驅動性能的高標準，這種新系列的伺服驅動器除了支持單通道、多通道技術以外，更在性能和經濟性方面得到了飛躍。在AX5000系列伺服驅動器所集成的快速的控制技術中，電流控制環最快可達31.25μs，速度控制環最快可達125μs，位置控制環最快可達125μs，其支持高動態性能的運動控制任務；同時集成了EtherCAT實時以太網通訊技術。可自由搭配多軸控制系統，雙通道伺服驅動器可以自由匹配兩個不同的電機，還提供了更高的安裝密度和更經濟的單通道成本。且緊湊的設計和靈活的“AX-Bridge”快速連接技術使得伺服驅動器能夠進行方便的安裝。

2.5 驅動系統的控制算法

    從根本上講，實現調速驅動的數字控制器需要開發人員編制磁場定向控制（FOC）算法，該算法由矢量旋轉、Clarke變換和比例積分算法等多個控制模塊構成。在基于逆變控制的傳統設計中，以上控制功能由運行在運動控制DSP或MCU中的軟件代碼實現。構建這樣一個控制器絕非易事，不僅需要高水準的實時設計技巧，而且為滿足運算速度和數據刷新率等要求還必須用匯編言語編制程序。其代碼量可能會多達數千行，而且必需在源代碼階段進行多輪反復調試和修改，才能最終獲得完備的可執行目標代碼。

    例如，International Rectifier（IR）公司的運動控制引擎（Motion Control Engine，簡稱MCE）可以避免復雜的軟件設計和充滿挑戰的實時控制，轉而由硬件方法實現所需的控制模塊，并能以單一的控制邏輯流程取代對復雜多任務操作系統的需求。與基于DSP或MCU的傳統解決方案相比，MCE的硬件加速技術顯然還能支持更高的控制帶寬。針對特殊應用，目前IR公司正在開發一系列可實現完整閉環電流控制和速度控制的MCE集成芯片，并專門為伺服驅動系統和永磁電機的正弦無刷控制等進行優化處理。利用其可配置寄存器，設計人員可以利用基于PC的ServoDesigner工具軟件輕松地為目標應用設置控制器，該軟件是運動控制設計平臺的一部分，且隨其一起提供。MCE集成芯片還可以實現片上PWM和電流傳感功能。

    隨著人工智能技術的發展，智能控制已成為現代控制領域中的一個重要分支，伺服控制系統中運用智能控制技術也已成為目前運動控制的主要發展方向，并且將帶來運動控制技術的新紀元。目前，實現智能控制的有效途徑有三條：基于人工智能的專家系統(Expert System)、基于模糊集合理論(Fuzzy Logic)的模糊控制和基于人工神經網絡(Artificial Neural Network)的神經控制。

2.6 驅動系統的通用化

    目前，通用型驅動器都配置有大量的參數修改和菜單功能，這便于用戶在不改變硬件配置的前提下方便地設置成V/F控制、無速度傳感器開環矢量控制、永磁無刷交流伺服電動機控制及再生單元等五種工作方式。廣泛應用于各種場合，也可以驅動多種不同的電動機，如無刷直流電機、步進電機、異步電機、永磁同步電機，也可以適應不同的傳感器甚至應用于無位置傳感器，還可以使用電機本身配置的反饋構成半閉環控制系統，通過接口與外部的裝置位置、速度或力矩傳感器構成高精度全閉環控制系統。伺服驅動系統的通用化程度進一步得以體現。

2.7 驅動系統的兩極化

    所謂的兩極化，一個是向小的方向發展，另一個是向大的方向發展。隨著電機永磁材料的技術的發展，輕質材料的成熟應用，高速DSP技術的發展，全新的驅動方式及設計理念，伺服驅動技術在向兩個方向發展。意大利博洛尼亞大學的溫森托?巴利扎尼博士與西班牙及美國同事研制成世界上最小和最快的納米級電動機，他是由一個分子組成，取名為rotaxane。單分子電機的直徑只有5nm，它具有環形結構，能夠向前和向后移動1.3nm。與其發展方向相反，上海電氣集團為三峽工程制造的世界上最大的兩個單體各重450t，直徑為10m的轉輪，電機容量70萬千瓦的三峽電站水輪發電機組，是目前世界上容量最大、直徑最大、重量最重的機組。

3  全數字高精智能型伺服電氣總控系統配置

4  典型全數字高精智能型伺服總控系統電氣控制系統硬件分析

4.1 先進智能型交流伺服驅動器 CD系列

    （1）產品特點：

    內置電源單元和EMC濾波單元；

    全數字驅動控制交流電機；

    電流環循環時間為62.5微秒；

    速度及位置環循環時間為500微秒；

    位置環，速度環及轉矩環皆為閉環控制；

    電機定子間隙自動補償功能；

    最高可控速度為25000rpm；

    多種控制模式（模擬量，脈沖，CANOPEN，PROFIBUS）。

    （2）多種自整定功能：

    Auto-phasing(自動整定電機及編碼器參數)；

    Auto-tuning(自動整定負載參數)；

    Cogging Torque Compensation(自動間隙力矩補償，可使電機的控制精度進一步提高)。

4.2 HSM系列為空心軸交流伺服電機

    產品特點：

    空心軸直徑可達 40mm；

    體積緊湊；

    IP65 防護等級；

    低轉子轉動慣量，高動態響應特性；

    高轉速，最大轉速可達 5000rpm；

    適合于高精度控制場合；

    適合于直連控制場合；

    超高精度Hiperface絕對式編碼器反饋，百萬級分辨率。

4.3 低壓伺服驅動器系列 BDE

    產品特點：

    BDE系列為新一代的低壓大功率伺服驅動器；

    DC10～60V供電，實現真正低壓伺服，可適用于野外等無交流電源場合及需本質安全場合；

    可配合多種電機的緊湊體積設計，充分節省空間；

    全數字伺服控制，豐富的產品系列，輸出功率可達到3kW；

    可實現力矩模式，速度模式，位置模式控制；

    最大額定電流可達60A，峰值電流120A。  

4.4 FP系列為超高動態超高速超精密伺服電機

    （1）產品特點： 

    特殊專利結構設計；

    高效率，幾乎無電磁損耗；

    實現真正無間隙轉矩；

    大力矩，最大峰值力矩能達到450Nm ；

    高動態響應；

    波紋轉矩降低到最小；

    體積緊湊。

    （2）適合場合：超高動態超精密應用場合。

4.5 BL48V 系列為低壓無刷伺服電機

    （1）產品特點：

    DC28-48V供電，實現真正低壓伺服，可適用于需本質安全場合；

    緊湊體積設計，充分節省空間；

    電機最高轉速可達3000rpm；

    電機工作溫度范圍-40 ℃~ +75 ℃；

    供電電壓范圍：10~60VDC；

    BLS系列旋轉變壓器信號反饋，正弦波控制；

    BLT系列編碼器信號反饋，梯形波控制。

    （2）適合場合：直流低壓供電場合。

5  目前伺服運動控制產品的主要應用行業分析

    伺服運動控制產品主要以機械配套為主，主要涉及機床工業、食品包裝、紡織印染、電子制造、塑料機械、印刷造紙、橡膠機械、具體的市場份額比例如表1（08年底）所示。

                                   表1   交流伺服運動控制產品

                                    億元    比例    主要供應商

                         機床工具    3.1    18.5%    三菱、安川、松下、西門子

                         食品包裝    1.7    10.1%    西門子、松下、三菱、安川

                         紡織印染    1.5    8.9%     松下、三洋、倫次

                         電子制造    1.3    7.8%     松下、三菱

                         塑料機械    1.2    7.2%     三菱

                         印刷造紙    1.1    6.5%     三菱、安川

                         橡膠機械    0.8    4.8%    力士樂、三菱

                         其他行業    6.1    36.2%    

                             合計    16.8    100%    


    下面以占據行業前二位的機床工具、食品包裝為例進行說明。

    在機床工業領域，交流伺服運動控制產品主要應用特點：

    （1）高速高精度。用于高速高精加工機床的進給驅動，主要有“回轉伺服電機加精密高速滾珠絲杠”和直線電機直接驅動兩種類型。當前使用滾珠絲杠的高速加工機床最大移動速度90m/min，加速度1.5g；使用直線電機的高速加工機床最大位移速度已達208m/min，加速度2g，并且還有發展余地。

    （2）多軸化。隨著5軸聯動數控系統和編程軟件的普及，5軸聯動控制的加工中心和數控銑床已經成為當前的一個開發熱點，尤其是在加工自由曲面時，克服了3軸聯動時切速接近于零時的切削弊端。控制器、交流伺服電機、專用控制平臺和伺服檢測裝置，這些產品構成一個完善的交流伺服運動控制產品。

    在食品包裝領域，交流伺服運動控制產品主要有以下特點：

    （1）機械結構大為簡化。傳統的包裝機械控制系統多采用繼電器、接觸器控制電路，其復雜程度隨著執行機構的增多以及調整部位的增大而加大，使得機器也越來越復雜，為制造、調整、使用和維修帶來很大困難。而交流伺服運動控制產品的應用，可用微機、傳感技術、新型伺服技術取代笨重的電氣控制柜和驅動裝置，使零部件數量劇減，結構大為簡化，體積也隨之縮小。

    （2）產品質量高。參數變化越多，調整部分越多，交流伺服運動控制的優越性也越大，這是一般控制方式無法比擬的。功能增多，可靠性提高，交流伺服運動控制系統除保持原來的包裝機功能以外，還可賦予其他許多功能。如液體飲料軟包裝機，它在氣動、電氣、機械的共同配合下，可具有制盒、滅菌、灌裝、封口等功能，還可存儲如生產速率、產品數量、故障現象、故障原因等數據，同時能對這些數據根據實際情況進行相應處理，大大方便了操作，使包裝機的可靠性大為提高。

    中國伺服驅動發展之迅速、市場潛力之巨大、應用之廣泛越來越毋庸置疑。國內不斷有新的企業進入到這一行業來，那些具有步進、變頻、運動控制器（或控制卡）方面的廠家要進入伺服控制市場，將會非常迅速，也將會非常有競爭力。

    目前國內市場的占有量以日本品牌為主，約50~60％以上，占據了國內市場的半壁江山。其次是歐美伺服產品，再者就是中國自產的伺服產品。這些廠家的伺服產品各有特色。日本伺服進入中國市場較早，產品性能、質量較好，價位較高；而歐美的伺服產品性能和功能最好，價格最高；國產伺服產品在性能和功能方面暫時遜色很多，只能跟在歐美日的后面走，但是具有明顯的價格優勢。下面是最新的行業統計：

    （1）國內廣泛采用的通用伺服品牌有：

    日系：三菱、安川、松下、山洋、富士、歐姆龍、日立、日機、多摩川、LG等；

    歐美系：Lenze、AMK、Rexroth、KEB、CT、ABB、Danaher、Baldor、Parker、Rockwell（AB） 等；

    數控和高端運控伺服品牌：Siemens、Fanuc、三菱、Rexroth等；

    數控伺服情況與數控系統狀況相當，Siemens和Fanuc為主，三菱次之。

    （2）國外目前在中國設有代表處、公司的品牌有(47家)：

    西門子(德國)、施耐德(德國)、Danaher、羅克韋爾自動化、Fanuc(美國-日本)、松下、ELMO(以色列)、安川(日本)、富士(日本)、歐姆龍(德國)、Lenze(德國)、KB(德國)、LUST(德國)、三菱(日本)、B&R、艾默生、CT、OMRON、瑞諾(瑞士)、邁克斯(德國)、Trio(英國)、Bosch Rexroth(德國)、maxon、麥特斯(韓國)、SEW、baldor、OEMAX、斯德博(德國)、Beckhoff(德國)、美國貝賽德、NORD、SHINKO(日本)、SSD、PPD(瑞典)、西班牙瑪威諾、阿爾法、華納(美國)、MOOG、臺灣大內、Aurotek、DASATECH、PARKER(美國)、士林、羅蘭(美國)、SEEK、PITTMAN、賀爾碧格(德國)、STOEBER。

    （3）國產通用伺服主要有(23家)：

    臺達、埃斯頓、珠海運控、星辰伺服、深圳步進科技、時光、和利時、浙江臥龍、蘭州電機、雷賽機電、寧波甬科、固高科技、大連普傳、武漢登奇、貝能科技、鄂爾多斯、海藍機電、北京寶倫、南京晨光、北京首科凱奇、西安微電機、南京高士達、中國電子集團21所等。

    （4）國產數控伺服主要有(13家)：

    華中數控、廣州數控、大森數控、北京航天數控、凱奇數控、開通數控、眾為興數控、蘇強數控、綿陽圣維數控、北京凱恩帝數控、南京華興數控、南京新方達數控、高金數控等。

    （5）國產伺服電機主要有(16家)：

    東元、華大、登奇、強磁（蘇強）、中源、海頓(直線電機)、大族(直線電機)、先川電機、碩陽電機、南京思展、上海蒂凱艾姆、上海贏雙、北京貝賽德、博山華興(直流伺服)、博山微電機(直流伺服)、亞博微電機(直流伺服)、上海三意電機等。

6  結語

    預計中國的設備制造業在未來的五年將會有很大的變化，主要表現在對自動化設備的要求越來越高。隨著全球制造中心大舉向中國轉移，不可避免的激烈競爭將加大制造業對高端自動化產品的需求，中國的運動控制和智能檢測技術產品市場將進入高速發展階段，面對這種高速發展，我們希望為用戶提供完整的解決方案和專業的服務，以此幫助他們解決開發和應用中遇到的問題。

參考文獻 

[1] T. K. Kiong, L. T. Heng, D. Huifang,  et al. Precision Motion Control Design and 
Implementation. Berlin Heidelberg: Springer,  2001.

[2] Z. Z. Liu, F. L. Luo, M. A. Rahman, Robust and Precision Motion Control System of 
Linear-Motor Direct Drive for High-Speed X–Y Table Positioning Mechanism, IEEE Trans. Industrial Electronics, 52(5): 1357-1363, 2005.

[3] K. Ohnishi, A New Servo Method in Mechatronics. Trans. Jpn. Soc. Elect. Eng., 1: 83-86, 1987.

[4] H. S. Lee, Robust Motion Controller Design for High-Accuracy Positioning Systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics，43: 48-55，1996.

[5] 舒志兵. 交流伺服運動控制系統[M]. 北京: 清華大學出版社，2006.

[6] 馮曉艷，范紅剛. PMSM伺服系統的控制[J]. 電機與控制學報，2007，11(3): 244-247.

[7] 中國社會科學院工業經濟研究所. 中國工業發展報告（2008）[M]. 北京:經濟管理出版社，2009.