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一、伺服驱动技术发展概况
伺服控制是指采用自动控制技术，控制各种设备按预定方式运动。伺服驱动系统是机电一体化产品的“手和脚”，对机电一体化产品的精度、刚度、动态特性等有极为重要的影响，是工厂自动化、数控机床、机器人等机电一体化产品中的重要驱动部件。一套完整的伺服驱动系统包括伺服驱动器和伺服电机、连接电缆等。
伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程。电气伺服系统的发展则经历了从直流有刷伺服驱动、直流无刷伺服驱动到永磁同步交流无刷伺服驱动三个阶段。伺服驱动器的控制方案从早期的模拟控制系统发展到现代的基于DSP控制的全数字控制系统。由于交流伺服驱动系统具有高能量密度、高性能、免维护（无炭刷、换向器等磨损元部件）、高可靠性等特点，目前随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术、电机永磁材料制造工艺的成熟与完善，其功率日益提升，性价比也越来越高，已经逐渐成为主流，特别是随着我国制造业的转型，升级，对加工设备提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流伺服驱动系统的应用范围日益广泛，越来越多地取代机械传动、液压和气动传动系统；交流伺服不断取代直流伺服的市场份额，导致直流伺服在整个伺服市场的占有率从目前的15％左右，每年大约下降0.5%；同时交流伺服成本和尺寸不断缩小，逐步取代步进驱动系统，成为工业领域实现自动化的基础技术之一。
二、现代伺服驱动的主要应用领域
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。上世纪70年代逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括数控机床、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，这些行业对伺服驱动器的需求旺盛。
2006年伺服系统在中国市场收入约36160万美元，增长26.8%，预计在2011年将达到95380万美元，年增长率及预计增长率都超过20%。
目前，我国已成为世界第一机床消费大国和生产大国，就国内外的市场现状看，普及型和高档数控机床使用交流永磁无刷伺服系统代替步进驱动系统已经成为标准配置，其年需求量在20万套以上，部分高档数控机床开始采用交流永磁直线伺服系统如力矩电机、直线电机等。
在工业机器人领域，交流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伺服驱动系统数量在6套以上。目前世界范围内工业机器人拥有量超过150万台，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。
在注塑机领域，我国的注塑机年产量已达10万台，占世界注塑机总产量的2/3以上。注塑机的发展趋势是从油电式向全电式方向发展，预计在3-5年内可能会形成油压、全电、油电“三分天下”的局面。若电动注塑机占总产量的20%计，注塑机用伺服驱动器一年的需求量达24万台。
我国包装机械已成为机械工业中的十大行业之一。2005年我国包装机械产量已达到67万台(套)，到2010年将增至93万台(套)，包装机械中的大部分使用的普通或小型电机，对大容量伺服驱动系统的年需求估计在4万套以上。
我国是一个纺织机械生产大国，但是在机电一体化方面的自动化、连续化、高速化、智能化水平与世界先进水平相比还有很大差距，应用伺服的比例较低，是未来交流伺服大批量应用的重要行业之一。目前已有高档梳棉机、带自动调匀整的并条机、新型粗纱机、数控细纱机、分条整经机、浆纱机、园网印花机等设备都应用了交流伺服运动控制产品，伺服年用量有5万套左右，且几乎全部是进口产品。
我国已成为世界上最主要的工业缝纫机生产和消费国，2005年，国内工业缝纫机产值达到200多亿元，年产量700万台，占世界产量的70%。其中大量采用交流伺服驱动系统。
我国是风力资源大国，风力发电是国内政策支持的重点领域，其中伺服驱动系统用于桨叶调整与方向控制，目前的需求量在5万套/年左右，并且以中、大功率为主，销售额超过50亿人民币，由于性能指标要求较高，现阶段大量采用国外产品，需求量增长很快。
三、中国伺服驱动产业现状
我国在20世纪80年代初期通过引进、消化、吸收国外先进技术，又在国家“七五”、“八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技攻关，取得了一定成果。
80年代，我国曾花巨资引进国外的伺服驱动技术。但由于其引进的技术属淘汰的落后技术，自主消化吸收没有突破，导致没有实现产业化。惨痛的历史教训使我们明白了一个硬道理：对于伺服驱动这样的战略高技术，靠花钱引进根本办不到，盲目效仿国外，也只会落后挨打，受制于人，唯一的出路，就是走自主创新之路。
华中科技大学是我国自主创新的伺服驱动技术的发源地之一。“八五” 期间，华中科技大学的自控系和电力系分别开始了伺服驱动的研发工作。1996年，自控系与华中数控合作，共同研制基于单片机的模拟数字混合式（电流环是模拟量）交流伺服驱动和主轴驱动（HSV-9系列），后来又开发了基于DSP的全数字交流伺服驱动装置（HSV-16/18/20）并投入大批量生产，被评为国家攻关重大成果和国家重点新产品，到目前为止已累计生产销售五万多台。华中科技大学电力系与广州数控、上海开通数控等单位合作，研制的伺服驱动技术也已实现产业化。
北京航天数控公司生产的DSCU系列全数字伺服控制单元和DSSU系列全数字主轴控制单元、北京凯奇数控设备成套有限公司生产的全数字伺服控制单元和全数字主轴控制单元及电机也已经得到了大规模应用，进给伺服功率范围20W—7.5KW，主轴伺服功率范围3.5KW到22KW，可以满足企业实际需要。
北京时光科技公司自主研发的“全数字化交流伺服控制技术”，采用32位微处理器为基础的系统级芯片和智能化功率器件，成功实现了对三相交流异步电机（鼠笼式电动机）的高精度伺服控制。基于此项技术研制生产的IMS系列伺服控制器可通过编程方式，灵活、准确地对电机的位置、转速、加速度和输出转矩实现高精度控制，其产品能广泛应用于机床、电梯、包装机械、印刷机械、塑料机械、搬运机械、电动车及自动化生产线等各种领域，用户反映良好。其他销量较大的伺服驱动产品还有广州数控等一些企业。
应该说，目前，我国已部分掌握伺服驱动装置及伺服电机的设计制造技术，形成了一定的产品系列和自主配套能力，但产品性能、可靠性方面，与国外产品还存在一定差距。特别是在全数字化的高性能伺服驱动技术方面，与国外名牌企业仍存在较大差距，已成为制约我国发展中高档数控系统产业的“瓶颈”。国外品牌占据了中国交流伺服市场85％左右的份额，他们来自日本、德国和美国。国外品牌的主要劣势在售前、售后服务，昂贵的服务和维修成本和维修周期让国内用户难以接受。
四、发展我国伺服驱动产业的建议
作为数控机床的重要功能部件，伺服驱动和伺服电机是影响数控系统性能的重要功能部件。伺服驱动和伺服电机的成本占到数控系统的总成本的1/2～3/4，因此，是否掌握自主的伺服驱动和伺服电机技术，是决定一个数控系统厂的市场综合竞争力的决定性因素。希望国家加大对全数字伺服驱动系统研发和产业化的支持力度，瞄准国际先进水平，突破关键技术，提高国产伺服驱动产品的市场占有率。具体建议如下：
（一）大力加强伺服驱动装置的生产工艺技术的研究
在国家863计划、科技部中小型企业创新基金和国家十五攻关成果基础上，我国的伺服驱动装置的控制平台技术已经基本成熟。下一步产品化攻关重点是：可靠性设计和可靠性保证措施、产品结构和系列化设计、大批量生产工艺研究，使产品能满足国家相关标准要求，满足市场急剧增长的需求，扩大国产伺服驱动装置的市场占有率。
（二）开展高性能伺服驱动装置的性能测评和改进技术研究
加大对伺服驱动装置测试手段的投入，开展伺服驱动的性能测评，以独立、客观、科学、实用的技术测试为依据，为我国伺服驱动技术的发展提供清晰的技术趋势，把握真实的产品资料及合理的采购建议。
在此基础上，支持国内企业开展高性能伺服驱动装置的开发。缩小与国外高性能伺服驱动产品在高精度、高动态响应、高刚性、高过载能力、高可靠性、高电磁兼容性、高电网适应能力、高性价等方面的技术差距，提高我国产品的可靠性。
（三）制订伺服驱动和数控系统的数字化接口的中国标准
以数控系统和伺服驱动的数字化接口规范和标准这一共性技术为纽带，形成国内数控系统产业的合作和联盟，发挥各自的优势，缩短开发周期、降低开发费用、形成相互配套，形成合力与国外数控系统厂商竞争，增强我国数控机床和数控系统在国际市场上的竞争力。掌握了数控系统和伺服驱动的数字化接口协议与标准的话语权，才能提高我国在国际标准化组织的地位，起到规范国内数控市场，影响国际数控公司，建立保护我国数控系统产业发展的技术壁垒。可以缩小我国数控系统行业与国外的技术差距，改变目前国内数控系统厂商之间的低价格、低水平竞争的状况。
（四）加大投入，开发大推力直线伺服驱动装置、大转矩力矩伺服驱动装置和高速主轴驱动装置
直接伺服驱动技术是未来伺服驱动技术发展的方向。数控机床采用直接伺服驱动技术，虽然省去中间变换环节，实现所谓零传动，系统结构具有更加的合理性，但是作为一种新的应用技术还面临许多现实的技术难题。诸如控制系统对参数摄动、负载扰动等许多不确定因素的抗干扰问题、伺服电动机的强制散热问题、系统快速吸能制动问题及严格防尘隔磁措施等，所有这些实际问题有待于进一步解决和技术的进一步完善。 |
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发表于 2013-10-31 22:07:36