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現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字化的轉(zhuǎn)變，數(shù)字控制環(huán)已經(jīng)無處不在，比如換相、電流、速度和位置控制；采用新型功率半導(dǎo)體器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服專用模塊也不足為奇。國際廠商伺服產(chǎn)品每5年就會換代，新的功率器件或模塊每2～2.5年就會更新一次，新的軟件算法則日新月異，總之產(chǎn)品生命周期越來越短?？偨Y(jié)國內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線，結(jié)合市場需求的變化，可以看到以下一些最新發(fā)展趨勢：
高效率化
盡管這方面的工作早就在進(jìn)行，但是仍需要繼續(xù)加強(qiáng)。主要包括電機(jī)本身的高效率比如永磁材料性能的改進(jìn)和更好的磁鐵安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，也包括驅(qū)動系統(tǒng)的高效率化，包括逆變器驅(qū)動電路的優(yōu)化，加減速運(yùn)動的優(yōu)化，再生制動和能量反饋以及更好的冷卻方式等。
直接驅(qū)動
直接驅(qū)動包括采用盤式電機(jī)的轉(zhuǎn)臺伺服驅(qū)動和采用直線電機(jī)的線性伺服驅(qū)動，由于消除了中間傳遞誤差，從而實(shí)現(xiàn)了高速化和高定位精度。直線電機(jī)容易改變形狀的特點(diǎn)可以使采用線性直線機(jī)構(gòu)的各種裝置實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化。
高速、高精、高性能化
采用更高精度的編碼器（每轉(zhuǎn)百萬脈沖級），更高采樣精度和數(shù)據(jù)位數(shù)、速度更快的DSP，無齒槽效應(yīng)的高性能旋轉(zhuǎn)電機(jī)、直線電機(jī)，以及應(yīng)用自適應(yīng)、人工智能等各種現(xiàn)代控制策略，不斷將伺服系統(tǒng)的指標(biāo)提高。
一體化和集成化
電動機(jī)、反饋、控制、驅(qū)動、通訊的縱向一體化成為當(dāng)前小功率伺服系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。有時我們稱這種集成了驅(qū)動和通訊的電機(jī)叫智能化電機(jī)（SmartMotor），有時我們把集成了運(yùn)動控制和通訊的驅(qū)動器叫智能化伺服驅(qū)動器。電機(jī)、驅(qū)動和控制的集成使三者從設(shè)計、制造到運(yùn)行、維護(hù)都更緊密地融為一體。但是這種方式面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)（如可靠性）和工程師使用習(xí)慣的挑戰(zhàn)，因此很難成為主流，在整個伺服市場中是一個很小的有特色的部分。
通用化
通用型驅(qū)動器配置有大量的參數(shù)和豐富的菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下,方便地設(shè)置成V/F控制、無速度傳感器開環(huán)矢量控制、閉環(huán)磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動機(jī)控制及再生單元等五種工作方式，適用于各種場合，可以驅(qū)動不同類型的電機(jī)，比如異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，也可以適應(yīng)不同的傳感器類型甚至無位置傳感器?？梢允褂秒姍C(jī)本身配置的反饋構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)，也可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度全閉環(huán)控制系統(tǒng)。
智能化
現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動器都具備參數(shù)記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數(shù)進(jìn)口驅(qū)動器都具備負(fù)載慣量測定和自動增益調(diào)整功能，有的可以自動辨識電機(jī)的參數(shù)，自動測定編碼器零位，有些則能自動進(jìn)行振動抑止。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補(bǔ)運(yùn)動等控制功能和驅(qū)動結(jié)合在一起，對于伺服用戶來說，則提供了更好的體驗(yàn)。
網(wǎng)絡(luò)化和模塊化
將現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、甚至無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成到伺服驅(qū)動器當(dāng)中，已經(jīng)成為歐洲和美國廠商的常用做法?，F(xiàn)代工業(yè)局域網(wǎng)發(fā)展的重要方向和各種總線標(biāo)準(zhǔn)競爭的焦點(diǎn)就是如何適應(yīng)高性能運(yùn)動控制對數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性、可靠性、同步性的要求。隨著國內(nèi)對大規(guī)模分布式控制裝置的需求上升，高檔數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)成功，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字伺服的開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。模塊化不僅指伺服驅(qū)動模塊、電源模塊、再生制動模塊、通訊模塊之間的組合方式，而且指伺服驅(qū)動器內(nèi)部軟件和硬件的模塊化和可重用。
從故障診斷到預(yù)測性維護(hù)
隨著機(jī)器安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的故障診斷和保護(hù)技術(shù)（問題發(fā)生的時候判斷原因并采取措施避免故障擴(kuò)大化）已經(jīng)落伍，最新的產(chǎn)品嵌入了預(yù)測性維護(hù)技術(shù)，使得人們可以通過Internet及時了解重要技術(shù)參數(shù)的動態(tài)趨勢，并采取預(yù)防性措施。比如：關(guān)注電流的升高，負(fù)載變化時評估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度升高時監(jiān)視溫度傳感器，以及對電流波形發(fā)生的任何畸變保持警惕。
專用化和多樣化
雖然市場上存在通用化的伺服產(chǎn)品系列，但是為某種特定應(yīng)用場合專門設(shè)計制造的伺服系統(tǒng)比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形狀、不同表面粘接結(jié)構(gòu)（SPM）和嵌入式永磁（IPM）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)出現(xiàn)，分割式鐵芯結(jié)構(gòu)工藝在日本的使用使永磁無刷伺服電機(jī)的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了高效率、大批量和自動化，并引起國內(nèi)廠家的研究。
小型化和大型化
無論是永磁無刷伺服電機(jī)還是步進(jìn)電機(jī)都積極向更小的尺寸發(fā)展，比如20，28，35mm外徑；同時也在發(fā)展更大功率和尺寸的機(jī)種，已經(jīng)看到500KW永磁伺服電機(jī)的出現(xiàn)。體現(xiàn)了向兩極化發(fā)展的傾向。
1.中達(dá)電通（臺達(dá)）六軸數(shù)控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：
（1）6個獨(dú)立伺服軸接口，能夠控制1～6軸聯(lián)動，能夠滿足伺服軸運(yùn)動控制要求。
（2）電壓命令型 (V-Command) 伺服接口，最小解析精度0.001mm，可配合光柵尺或旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)、半閉環(huán)控制，能夠滿足精度要求。
（3）最大響應(yīng)速度500KPPS編碼器反饋，能夠滿足快速定位的需求。
（4）具有教導(dǎo)模式，能夠記錄下當(dāng)前的機(jī)械坐標(biāo)點(diǎn)，并能根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自動生成NC加工程序，操作者可以方便的對生成的程序進(jìn)行編輯和閱讀。
（5）控制器內(nèi)存有240K存儲空間，可儲存1000個NC加工程序，配合標(biāo)準(zhǔn)的CNC鍵盤可輕松對加工程序進(jìn)行編輯。
（6）通過六軸數(shù)控簡易I/0控制指令和內(nèi)置PLC開發(fā)，能夠靈活的通過NC程序?qū)崿F(xiàn)輔助機(jī)能。
（7）內(nèi)置可編程PLC，標(biāo)準(zhǔn)配置為24INPUT/ 16OUTPUT，最大可擴(kuò)展到96INPUT/64OUTPUT，完全能夠滿足電氣互鎖、行程保護(hù)、緊急停止等安全電路的設(shè)計要求。
（8）配合外配的電子手搖輪可實(shí)現(xiàn)“加工程序手搖輪測試”功能，防止機(jī)械撞機(jī)。
通過比較分析，中達(dá)電通六軸數(shù)控系統(tǒng)完全能夠滿足作為機(jī)械手臂上位控制器要求。
2.臺達(dá)交流伺服系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：
（1）具有多種控制模式，可與上位控制器靈活配合，應(yīng)用廣泛。
（2）通過伺服內(nèi)置的運(yùn)動控制器和外部的I/O來自由規(guī)劃的8組位置指令寄存器是實(shí)現(xiàn)對機(jī)械第七軸（D軸）控制的關(guān)鍵。
（3）強(qiáng)健式的控制模式，在負(fù)載慣量大范圍的變化時，系統(tǒng)仍然可以保持優(yōu)異的性能。
（4）具有位置P-CURVE和速度S-CURVE平滑功能，且命令來源不論是外部模擬量輸入還是內(nèi)部寄存器設(shè)定均有平滑功能。
（5）豐富的軟件功能，方便用戶用調(diào)試。
通過比較分析，臺達(dá)交流伺服系統(tǒng)也完全能夠滿足作為機(jī)械手臂做下位控制器要求。
通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)、負(fù)載慣量、輸出扭矩的分析計算，故選用下列伺服：ASDA 3kW*1臺、ASDA 2kW*1臺、ASDA 1kW*2臺、ASDA 200W*2臺、ASDA 100kW*1臺，共7臺伺服驅(qū)動器做下位控制器。
三、方案功能的實(shí)現(xiàn)
1.控制系統(tǒng)6AXIS＋1 AXIS的架構(gòu)
圖二 64XIS+1 AXIS的控制架構(gòu)
2.硬件的組成和6＋1的設(shè)計架構(gòu)實(shí)現(xiàn)
控制系統(tǒng)的硬件部分主要有CNC數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和其他輔助元件三部分組成。
（1）CNC數(shù)控系統(tǒng)
數(shù)控系統(tǒng)選用中達(dá)六軸數(shù)控系統(tǒng)，它是機(jī)械手臂的控制中心，除具有線性插補(bǔ)等運(yùn)動控制外，還能夠進(jìn)行畫面顯示、參數(shù)設(shè)定、程序編輯、PLC邏輯控制等。
（2）伺服系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)選用7套臺達(dá)－A系列交流伺服驅(qū)動器和電機(jī)。其中ASDA 3kW*1臺、用于獨(dú)立控制機(jī)械D軸位移工作臺，拖動機(jī)械手臂前后運(yùn)動，使其能自由移動到生產(chǎn)線的任何地方。其伺服控制模式采用臺達(dá)交流伺服獨(dú)有的PR控制模式。
它的命令來源為臺達(dá)交流伺服位置指令寄存器8組內(nèi)部位置指令（參數(shù)P1-15~P1-30設(shè)定），伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度則由參數(shù)P1-36~P1-43設(shè)定。
通過數(shù)控系統(tǒng)I/O輸出OUTPUT點(diǎn)Y0-Y3，配合伺服CN1接口的I/O，POS0~POS2與GTRG，就可以選擇8組中的一組來當(dāng)成位置指令來源。當(dāng)伺服CTRG信號上升沿觸發(fā)后，伺服電機(jī)便會向給定目標(biāo)運(yùn)動。
其余6臺伺服分別為：ASDA 2kW*1臺，控制機(jī)械手臂X軸空間移動；ASDA 1kW*2臺，控制機(jī)械手臂Y、Z軸的空間移動；ASDA 200W*2 臺，控制機(jī)械手臂A、B軸的空間移動；ASDA 100kW*1臺，控制機(jī)械手臂C軸的空間移動。
這六臺伺服采用的是速度控制模式，數(shù)控系統(tǒng)的伺服軸口輸出 +/-10V的模擬量電壓來控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并實(shí)時通過伺服驅(qū)動器的PG分周比輸出OA/OB/OZ信號將伺服運(yùn)動狀態(tài)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制的目的，來保證機(jī)械手臂的運(yùn)動精度。
（3）其他輔助元件
其他輔助元件主要有：
電子脈沖發(fā)生器（MPG手搖輪），規(guī)格DC5V，在手動和教導(dǎo)模式下，產(chǎn)生脈沖信號控制伺服軸位移。
動力變壓器，規(guī)格7.5kVA三相380V/三相220V，作用是給伺服系統(tǒng)提供動力電源。
控制變壓器，規(guī)格500VA，AC380V/AC220V，作用是給數(shù)控和伺服系統(tǒng)提供控制電源。
開關(guān)電源，規(guī)格500VA，DC24V，AC220V/DC24V，作用是給控制回路提供直流控制電源。
INPUT輸入板，規(guī)格NPN型，可以連接按鈕、行程開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)等傳感器信號。
OUTPUT輸出板，規(guī)格NPN型，作用是控制中間繼電器、微型電磁閥等DC24V負(fù)載。
中間繼電器，規(guī)格DC24V，增加OUTPUT輸出板的容量，線路保護(hù)。
氣動電磁閥，規(guī)格DC24V，控制機(jī)械手夾緊氣缸和生產(chǎn)線其他輔助動作。
按鈕、開關(guān)若干，提供各種傳感信號。
通過上述硬件配置和架構(gòu)設(shè)計，中達(dá)電通六軸數(shù)控系統(tǒng)便能夠通過速度模擬量電壓命令和外部的I/O輸出信號來控制一個六軸的機(jī)械手臂和一個獨(dú)立的位移工作臺運(yùn)動了。
中達(dá)六軸數(shù)控系統(tǒng)具有“示教和手搖輪測試”功能，通過必要的PLC編輯便可以激活這兩個功能，方便編譯和效驗(yàn)程序。
當(dāng)配合外部I/O和電子手搖輪，激活“示教”功能后，六軸機(jī)械手臂的工作方式是按“示教學(xué)習(xí)→生成NC程序→編輯修改NC程序→機(jī)械手臂再現(xiàn)執(zhí)行”的過程來完成的，即由人用示教盒對機(jī)械手臂工作行為示教。示教過程中，數(shù)控系統(tǒng)會記錄下機(jī)械手臂各運(yùn)動關(guān)節(jié)終點(diǎn)的位置信息，并以NC代碼的形式顯示在CRT熒屏上。
當(dāng)機(jī)械手臂完成一個示教流程結(jié)束后，數(shù)控系統(tǒng)便會以NC代碼的形式記錄下一個數(shù)據(jù)隊(duì)列。用戶可以通過數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)CNC鍵盤對當(dāng)前的NC程序進(jìn)行必要的編輯，如添加運(yùn)動速度，數(shù)控外部I/O控制等指令，這樣數(shù)控系統(tǒng)便生成了機(jī)械手臂工作所需要的完整信息。
當(dāng)完成編輯后，激活數(shù)控系統(tǒng)的“自動運(yùn)行”功能，數(shù)控系統(tǒng)便能自動依次讀取這個數(shù)據(jù)隊(duì)列和指令信息，并傳達(dá)給下位伺服控制器和數(shù)控外部I/O控制機(jī)械手臂動作。
當(dāng)我們對“示教”生成的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編輯完成后，在執(zhí)行“自動運(yùn)行”功能前，可以通過激活“手搖輪測試”功能，來再次校正編輯完的程序。
當(dāng)“手搖輪測試”功能被激活后，機(jī)械手臂會按照先前編輯的指令信息再現(xiàn)動作。伺服軸的運(yùn)動速度由手搖輪的轉(zhuǎn)動速度和MPG的倍率所決定，當(dāng)手搖輪停止轉(zhuǎn)動，伺服軸也會停止進(jìn)給；如繼續(xù)轉(zhuǎn)動，伺服軸會繼續(xù)執(zhí)行動作，從而有效防止機(jī)械撞機(jī)。
測試完成后，激活“自動運(yùn)行”功能，機(jī)械手臂便會按照程序中設(shè)定的速度正常運(yùn)行。
