在“2019智能制造&中国运动控制行业发展高峰论坛”上，哈尔滨工业大学电气学院副院长杨明教授对目前国内伺服系统驱动技术的发展现状和未来研究方向做了详细的介绍，本文整理自他的现场发言录音。

根据运动控制的分类，可以把伺服系统大致分为三个层次：第一层：上位机-运动控制，包括PLC；底层是伺服驱动器，以及真正的执行机构伺服电机。典型的伺服系统控制结构是上位控制器和伺服驱动器基于脉冲指令和总线通讯的方式。近年来，出现了新型模式，即上位机运动控制保持不变，把伺服驱动器和伺服电机做一体化集成，称之为ALLinONE，这样电机与驱动器的线缆就得到了极大的节约；与之对应的是，伺服电机保持不变，运动控制和伺服驱动做一体化的集成。

这两种机构的区别之处在于，传统模式由于空间相对分散，上层中央控制器和底层执行机构相对物理空间比较远，而采用ALLinONE方式可以控制几十台上百台设备，使用非常方便；另外，驱控一体化技术主要应用在对物理空间要求较高的场合，如工业机器人或其他种类机器人等，采用驱控一体方式非常有优势。

 驱控一体化趋势

驱控一体化是把控制器和驱动器集成在一起，其优势包括：体积小、重量轻、部署灵活、低成本，高可靠性，高性能处理能够完成复杂的机器人算法，通过共享内存传输更多控制、状态信息，通信速度高达100M/s；但它的不足之处在于高集成度开发难度较大，以及高集成度系统扩展性欠缺，例如机床八轴以内成本的优势比较明显，但扩展到几十轴时优势则并不显著，因此适合用于物理空间集成度相对较高的场合。

目前国内外厂商都已推出了相应的驱控一体化产品（如：固高拿云、众为兴、台达、KUKA等等），大部分厂商驱控一体化集成技术采用的是分布式多CPU控制器方式，做到一个控制板，彼此之间有物理连接的接口。随着芯片技术的发展，分布式CPU方式将朝着整体SoC芯片方案的方向发展。例如，赛灵思Zynq™-7000是一款高性能SoC（SystemonChip）芯片，其中FPGA核心部分完成多轴电机驱动，带宽高、响应快；ARM核进行高级算法的实现和各类通讯及数据交互，上位机轨迹规划等功能。

2018年哈工大开发出了小批量驱控一体化样机，一个芯片可以独立控制4-6轴，从标准测试报告来看，基于工业以太网，无论四轴和六轴，所有的信息和控制器全部都可以共联，没有传输延时，也没有通讯协议的局限。并且在四轴的开发基础上，我们统计了一下利用率，ARM0实现四轴速度环位置环控制，主中断时间占比1%，FPGA实现四轴并行式硬件电流环，资源占比60%，没有采用流水线结构。

 微小型高功率密度驱动器研究

在这一领域基本完全依赖进口，特别是以色列的ELMO公司；目前，国内对高频化电机驱动系统的研究正处于起步阶段，哈工大正在积极立项成为国家重大项目，进行重点攻关。

微小型高功率密度驱动技术有赖于新一代半导体器件上的突破，目前主要是碳化硅和氮化镓，碳化硅适合耐高压，氮化镓适合于高频，特别是200V的应用实现高频特性。例如效率可以得到明显的提升，如果用软开关技术，开关损耗得到降低达到99%是完全有可能的，在高速电机的驱动上，载波比调至频率达到200K，电机效率得以提高，控制难度得到极大的降低。

安川公司在2017年首次推出了GaN功率半导体的驱动器内置型伺服电机商用产品，实现了高效率化、伺服系统小型化、静音化、节能化、省配线等特点。

微小型高功率密度驱动技术的难点在于：dv/dt和di/dt问题，电磁兼容性显得非常重要，主要会影响到板间的布线，以及对寄生参数的影响；其次是控制器的驱动能力问题，包括DSP控制器串行处理数据以及FPGA控制器并行处理数据。

2018年，我们和美的的联合实验室推出了三款基于氮化镓的压缩机，选用的芯片架构一致，我们主要负责伺服部分的开发，美的则负责压缩机部分，从中我们总结出很多布线和器件选择上的经验，并且在第三款压缩机中，dv/dt问题得到了很好的解决，电机的效率有所提升。

综上所述，传统的运动控制器、伺服驱动器、伺服电机三者将两两组合，构成驱控一体化集成技术，以及电机ALLinONE集成方式，特别针对宽禁带器件，电机本身是热源，放到一起不允许有风扇，要解决耐热问题，碳化硅是一个比较好的选择，宽禁带器件具有广阔的应用前景。

 伺服驱动和电机评测中心

加强伺服驱动及电机测试技术的研究和检测平台的建设尤为重要，有利于实现集成评测，提供独立、公正、客观、科学、准确的测试数据。

这里主要说一下目前颁布的22项伺服驱动电机行业测试标准，其中伺服驱动单元性能测试四项，包括总则和其他的基本性能测试，还有三项是：三环带宽的测试标准，参数测准定的标准，自动抑制的标准；以及主轴电机、直线电机、伺服电动机等有22项标准。

哈工大伺服驱动和电机评测中心于12月25日正式通过验收，其中包括25个测试平台，伺服有8台，主轴电机3台。我们的直线电机测试平台针对直线电机速度的不同，设置了两种加载形式，一种是直线运动变成旋转运动，在低速的时候加载，高速的时候采用首创的直线电磁组的形式加载。

另外，力矩电机测试平台主要的创新点是有效地将电机转速和转距实现了耦合，采用平衡式转矩波动测量方法，克服了对拖方式带来的波动转矩耦合问题，并采用不同的传感器，特别是小量程传感器准确地测出电机的转矩波动，可以极大地提高测试精度。高速主轴电机的测试平台实现了非接触式加载，传统机械式加载的时候，如果有安装问题，会造成轴芯的损坏，我们采用非接触式方式可以大幅提升测试性能。

还有我们的伺服驱动器和通用伺服驱动测试平台，从250kW、50kW、15kW、5kW，包括伺服系统传动间隙抑制技术测试平台、伺服系统机械谐振抑制技术测试平台、伺服系统定位末端抖振抑制技术测试平台等。2018年我们跟广东数控建立了实验室，协助他们提升了伺服系统的性能，使得数控机床加工精度及效率得以提高，增强了产品竞争力，客户满意度也大幅提高，产品销量逐年提高。

我们的评测中心的工作不仅仅是做检测，我们希望通过这个检测过程，可以帮助厂商发现技术或产品方面的问题，并提出解决方案，这才是我们要发挥的作用。评测中心未来两年工作的重点会放在维护前期的测试基础上，特别是在伺服基础可靠性与一致性的测试标准和测试平台建设上积极地开展工作。另外，有关工业机器人用的伺服系统和性能测试和平台，我们也正在积极地搭建中，希望为国产伺服驱动器进一步的发展和提升提供支持和帮助。