交流伺服单元(电机与驱动器)的性能越来 越好，其价格也逐年降低，可以说它的性价比越来越高，这使得它将获得更广泛的应用，例如在数控机床、加工中心及机器人等工业设备和火炮、雷达等武器装备中早已是交流伺服单元的主要应用领域[1]，一些需要精确定位的工业设备、生产线如半导体生产、航空电子、包装、标签、木材加工、制药设备和印刷等行业也越来越多的采用交流伺服单元，可以说它已成为工业设备中的一个部件。
作者由于工作的需要，接触并使用了许多公司的交流伺服单元，如日本的安川、松下和三菱产品;德国的百格拉交流伺服;美国的科尔摩根(Kollmorgen)产品以及以色列、韩国的产品。根据经验，将介绍交流伺服单元的选择要点及交流伺服系统(指令机与交流伺服单元)构成方案与一些成功应用实例，以供参考。

交流伺服的选择要点
交流伺服单元的选择内容包括有品牌选择、电机的惯量选择(即大、中、小惯量的伺服电机)、位置检测元件的选择以及输出功率和尺寸形状选择等项目。
根据工作环境的特点对交流伺服单元的选择
l 交流伺服单元对环境温度的要求
大多数品牌的交流伺服单元能在0～55℃温度范围内可靠地工作[2]。这对大多数工业应用是能够满足需要的。但对于特殊应用，如武器装备、航天设备等工作工作温度范围要求很宽，低温端达到零下20多度，高温端达到零上80多度。这就要选择特殊品牌的交流伺服单元如美国的科尔摩根公司的军品伺服单元，以色列的艾尔莫(Elmo)公司产品，能够满足宽温度范围的要求。
l 电缆长度限制
由于电机固连到机械设备上，而驱动器(交流伺服放大器)安放在控制柜中，二者之间通常有几米～10多米距离。一般的交流伺服单元限制电缆长度在20米以内，这主要是与电机相连的位置检测元件是光学编码器(Encoder),它的信号经长距离传输不是很可靠造成的。对于长距离传输，可以选欧美产品。它们的位置检测元件不是光学编码器(Encoder)，可以可靠的长距离传输位置信号。
电机惯量的选择
伺服电机转子惯量有大、中、小之分，分别应用在不同场合。例如对于数控机床、加工中心等设备，无论是主轴系统还是进给系统，往往采用大惯量电机，使得负载惯量折算到电机轴上与电机转子惯量相比占很小比例，易证明，负载惯量折算到电机轴上为:
J’L＝JL／N2    (1)
JL—负载惯量;
N—从电机到负载的减速比;
J’L —折算到电机轴上的负载惯量。
这样加工工件的表面精度高。但对于经常启停或跟踪快速变化的信号，如火炮、雷达、机器人等，应采用小惯量电机，系统反应才足够快。对于绝大多数品牌交流伺服单元，大中惯量电机额定转速为1500～2000r/min,最高速度达3000r/min;中小惯量电机转速为3000r/min,最高达5000r/min。当然也要考虑减速情况来选择电机惯量。
最后要校核一下，负载惯量是否超过电机惯量的100倍，如果超过100倍系统的动态品质将大大下降。
位置检测元件的选择
伺服电机同轴连有位置检测元件，对大多数品牌的伺服电机这个位置检测元件是光学编码器，简称码盘(Encoder),少数品牌的伺服电机用解角器(Resolver)作为位置检测元件(多见于美国、欧洲品牌)。前者相关的处理电路简单，成本低但传输过程易受干扰且距离不能传输太远(如小于20m)。而解角器是将角度信息调制到相位中，以相位差大小来传递角度信息，显然不易受干扰，也能传输更远距离。当然，这种伺服电机的成本也高于前者。
目前大多数伺服电机采用码盘检测位置，这又有增量式和绝对式之分。前者每次上电工作时，需要归零动作;而绝对式码盘由于采用电池掉电支持码盘电路，因此它总能记住电机的当前位置，也就不需要上电时的归零动作。

交流伺服系统构成方案
这里的交流伺服系统是包含了指令机及交流伺服单元。目前有三种方案。
工业计算机与板卡方案

图1 工控机与板卡构成系统
如图1所示，工控机与板卡通过总线交换数据，板卡根据工控机的指令和数据，产生相应频率和数量的脉冲串，驱动电机以实现速度与位置的控制。
板卡简单的可以是脉冲输出卡，好一点的可以采用运动控制卡，它与脉冲卡的差别是除了对每轴可以单独发脉冲外，还有直线、圆弧插补功能，并附带完备的归零、限位等开关量输入输出功能。
这种方案的优点是计算机的计算能力强，因此易被大专院校、科研单位接受。它的缺点是系统不够简洁(工控机有许多冗余功能)，在强干扰的环境下工作稳定性差。
可编程逻辑控制器(PLC)与交流伺服单元方案
以PLC取代图1种的工控机与板卡，由PLC的高速脉冲输出端或运动控制单元，发出脉冲信号控制交流伺服单元运动。目前PLC的CPU单元就有高频脉冲的输出功能，如松下电工的FP-∑型的PLC脉冲频率高达100kHz,同时还提供2轴的简单插补运动，能够满足交流伺服单元的需要；如果需要多轴控制，可选用PLC扩展的运动控制单元。比如三菱的Q系列脉冲单元—QD75D8运动模块，单轴最大可每通道提供200Khz的高速脉冲，可同时控制8轴运动，并提供多轴插补控制功能。现在PLC的CPU处理速度越来越快，能够满足插补、浮点运算等需要。
这种构成方案的优点是系统简单，抗干扰能力强，为工业界所接受，成为工业控制的主流方式，也是目前应用最多的一种方案。
全数字方案
前二方案中都有一个物理器件产生脉冲串，并以此作为交流伺服单元的运动指令。这个高速脉冲串传输过程容易受到干扰。严格地讲这不是纯数字系统。全数字伺服系统是将指令机(工业PC+板卡或PLC)的CPU与交流伺服单元的CPU合二为一。因此它们之间完全是数字信息交换，根本不存在脉冲串，它的可靠性是最高的，代表了交流伺服系统的发展方向。
目前韩国有单轴、2轴和多轴的全数字交流伺服系统产品。此外，台湾的台达公司也推出一种全数字交流伺服系统，它仿照变频器的使用方法:在不同的条件下按不同速度曲线运行，所不同的是不同条件下执行不同的位置命令[3]。这在许多工业应用中是很方便的，例如系统能够从甲地以一定速度准确地运动到乙地，或再运动到丙地然后准确返回甲地。如此周而复始，在此过程中不需要一个物理器件发脉冲。显然这种构成方案是最先进的。
交流伺服系统应用实例
四自由度搬运机器人
四自由度搬运机器人主要用来搬运货物或码垛功能。由腰部回转关节、肩部俯仰关节、肘部俯仰关节和腕部回转关节组成，其中肩部与肘部为平行四边形结构，执行端的手抓始终向下，完成搬运物件的取放。
四自由度搬运机器人的交流伺服控制系统方案采用PLC与交流伺服单元的控制方案，控制方案如图2所示。该机器人有4个自由度，属于典型的多轴交流伺服控制，而且伺服单元1(包括驱动器1与电机1，腰部关节)、伺服单元2(肩部关节)和伺服单元3(肘部关节)要求有插补运行控制，伺服单元4(腕部关节)独立控制，所以控制器采用三菱的Q系列的高性能PLC及其运动控制单元，伺服单元采用松下的A系列绝对式编码器的交流伺服单元[4];

图2 四自由度搬运机器人控制系统方案
控制思想:利用绝对编码器的优点，系统上电后无需归零操作，控制器CPU单元通过485总线实时读取各轴的位置信息，使得控制单元能够有效控制机器人实际位姿线对于目标点的运动。主要利用人工示教方法进行控制，首先通过触摸屏(人机控制界面)对机器人的搬运姿态和轨迹进行人工示教，示教结束，存储示教信息后，然后转到自动运行功能页面，进行示教过程的重复再现，如果示教轨迹或速度需要编辑，可以停止自动循环运行后，到触摸屏的编辑页面进行修改。
实验表明，该系统可靠性高，运行快速平稳，负重100kg载荷的条件下，执行端重复精度小于±0.05mm也充分体现了交流伺服系统的优点。
5轴全伺服注塑机械手 
该机械手与注塑机联合工作，将注塑机内的注塑工件安全取出送给操作者，该机械手为笛卡尔坐标型机械手，机械结构包括支撑导轨、横梁和主、副臂。横梁在导轨上带动双臂作纵行(Y向)运动由交流伺服单元1控制;主、副臂在横梁上的上、下(Z向)运动分别由伺服单元2和伺服单元3控制，由于上下的运动，考虑掉电安全需要，这两个伺服单元的电机需要制动器;主、副臂的横向(X向)运动，分别由伺服单元4和伺服单元5控制。该机械手与注塑机配合使用，要保护注塑机和操作者的安全，所以，可靠性和完备性以及位置控制准确尤为重要。行业安全因素的考虑，该机械手要求5个伺服单元独立工作，性价比高，基于此控制机选用双PLC机制，选用松下电工PLC FP-∑ 2台，每台输出高速脉冲100kHz,控制2个轴;其中横梁的纵行(Y向)与主臂的上下(Z1向)交换使用一路脉冲，生产也要求二者禁止同时运动;双PLC分主从控制方式，二者通讯采用I/O状态控制方式，交流伺服单元采用松下的A系列产品。控制框图如图3所示。主控电路板功能:主PLC和从PLC I/O关系;各通道集电极开路输出的伺服脉冲变差动输出及X轴与Z轴通道交换。

图3 全伺服注塑机械手控制框图
控制思想特点:本机械手的机械刚性大，执行端的负载能力强，5个伺服单元选用小型的伺服单元。PLC中预存9种不同产品的工艺步骤，操作者可以修改并存储这些步骤而各轴的动作位置主要靠人工示教的方式来完成，示教后再进入自动运行状态。此控制方案体现了高性价比，高可靠性的多伺服的控制系统;同时控制系统采用集成度高的2个Mini的PLC单元和松下的增量式码盘的A系列交流伺服驱动器使得电控箱体积小可以挂在机械手的本体上，使得机械手更加美观，方便使用和维护。
该机械手实验测试，机械手主臂负重5kg的物件，5轴最大行程运行综合重复精度0.2mm;在双臂高速模式下，工作周期为4s，完全保证了工业现场的使用要求;各轴运动平稳，精度高，系统在强工业干扰环境下稳定可靠地工作。

结语
现在工业控制系统的组成大多数为可编程控制器(PLC)与交流伺服单元结合方案。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，使得今天的交流伺服控制器的计算能力和速度变得越来越强大，可编程控制器(PLC)与工业计算机在交流伺服控制的差距越来越小，现在甚至出现了二者融合的控制器，既有工业计算机的强运算能力，又有适用于工业现场的高可靠性、稳定性的特点，这是一个发展方向;交流伺服的驱动技术也在快速发展，全数字伺服的产品的出现将引领交流伺服向数字化、智能化的方向发展;交流伺服系统应用的领域也越来越广泛。

参考文献
[1] 三菱电机 .三菱公司编写
[2] 安川交流伺服电机与驱动器手册
[3] 台达(DELTA)伺服驱动器应用技术手册
[4] 松下伺服电机驱动器使用手册