隨著人類社會工業生產的不斷發展，生產過程中需要進行檢測、控制、優化、調度、管理和決策，以達到增產、提質、降耗、確保安全等目的。而工業自動化技術是應上述要求而發展起來的一類綜合性高新技術。從近幾年的國內外的工業自動化展會上呈現出它的應用越來越廣泛，覆蓋機械、電子、電器、機床、石化、冶金、水工業、電力、交通、環保、紡織、印染、造紙、制藥、汽車、食品等行業。它的應用對提高企業的生產效率及經濟效益起到積極的作用，而伺服技術又是決定上述作用發揮的關鍵技術。
電力電子技術、電機先進制造技術、大規模集成電路和微處理技術的迅速發展，使得機電伺服技術也相應地得到了長足的發展和廣泛的應用。而伺服技術的良性發展，對于工業自動化技術來說，無疑是如虎添翼。因此，本文就伺服技術在工業自動化中的發展和應用現狀進行綜述，旨在反映其在工業自動化中的發展進程和作用。
工業自動化概述
工業自動化技術，是以工業生產過程中的各種參數為控制目的，從而實現各種過程控制的技術。在整個工業生產過程中，盡量減少人力的操作，而能充分利用動物以外的能源與各種資訊來進行生產工作，即稱為工業自動化生產。
工業自動化的發展經歷了三個階段：
第一個階段是上世紀40年代到60年代初，隨著市場的競爭、資源利用、減輕勞動強度、提高產品質量、適應批量生產的需要，出現了各種單機自動化加工設備，如硬件數控系統的數控機床，而這也是伺服技術在工業自動化第一階段的發展和應用體現。
第二個階段是20世紀60年代中到70年代初期，隨著市場競爭加劇、要求產品更新快、產品質量高、并適應大中批量生產需要和減輕勞動強度，在單機自動化的基礎上,各種組合機床、組合生產線得以出現。同時軟件數控系統的出現并應用于機床，cad、cam等軟件開始用于實際工程的設計和制造中。此階段硬件加工設備適合于大中批量的生產和加工，如用于鉆、鏜、銑等加工的自動生產線。因此，伺服技術在這個階段，得到了進一步的發展和應用。
第三個階段是上世紀70年代中期到現在，隨著市場環境的變化，使多品種、中小批量生產中普遍性問題愈發嚴重，要求工業自動化技術向其廣度和深度發展，使其相關技術高度綜合，發揮整體最佳效能，出現了cims(computer integrated manufacturing systems)工廠、柔性制造系統(flexible manufacturing systems)、以及數控機床(nc，cnc)、機器人等。這個階段，使得伺服技術得到了空前的發展，并且切實地應用到了工業生產過程中去了。
就本質上講，工業自動化系統就是機電一體化系統，由機械本體、動力部分、測試傳感部分、執行機構、驅動部分、控制及信號處理單元等硬件構成。而驅動部分、控制及信號處理單元，加上軟件程序和電子電路邏輯，就是伺服技術的核心。因此，工業自動化技術的發展，離不開伺服技術的發展。如今工業自動化的發展主要朝工業智能化、工業高精度化、工業無線化的方向發展，而工業智能化的發展，對伺服技術中的控制算法提出了更高的要求。
伺服技術的發展現狀
伺服技術是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制技術。而在很多情況下，伺服系統專指被控制量(系統的輸出量)是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統，其作用是使輸出的機械位移(或轉角)準確地跟蹤輸入的位移(或轉角)。伺服系統的結構組成和其它形式的反饋控制系統沒有原則上的區別。
伺服系統按所用驅動元件的類型可分為機電伺服系統、液壓伺服系統和氣動伺服系統。本文所綜述的是機電伺服系統，一般分為直流伺服和交流伺服，最初主要應用于軍方的船舶自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領域，特別是自動車床、天線位置控制、導彈和飛船的制導等。采用伺服系統主要是為了達到下面幾個目的：
a) 以小功率指令信號去控制大功率負載，火炮控制和船舵控制就是典型的例子;
b) 在沒有機械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠處的輸出軸，實現遠距同步傳動;
c) 使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。
在上世紀60年代之前，伺服系統以步進電機直接驅動為主，多為位置開環系統，并且在針式打印機、電火花加工機床和自動化生產線等領域獲得了廣泛應用。但由于其存在發熱大、效率低、不易維修、易污染環境等缺點，限制了其進一步的發展和應用。
到了20世紀80年代，在當時的相關理論和工藝技術下，直流電機由于結構簡單、調速性能良好、易于控制等優點，開始取代了交流伺服，并且在工業自動化中取得了廣泛的應用，其位置控制系統也由開環轉向了閉環控制。
隨著稀土永磁材料和電機控制理論、電力電子技術、集成電路技術和傳感器技術的飛速發展，到20世紀90年代，交流伺服技術又得到了長足的發展。無刷直流伺服系統、交流永磁伺服系統逐步取代了直流伺服系統在工業自動化中的應用。并且，交流伺服系統的控制方式很快就向數字化方向發展，由硬件伺服轉向軟件伺服。
近10年來，永磁同步動機性能快速提高，與感應電動機和普通同步電動機相比，其控制簡單、良好的低速運行性能及較高的性價比等優點使得永磁無刷同步電動機逐漸成為交流伺服系統執行電動機的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服領域。而交流異步伺服系統仍主要集中在性能要求不高的大功率伺服領域。
自20世紀80年代后期以來，隨著現代工業的快速發展，對作為工業設備的重要驅動源之一的伺服系統提出了越來越高的要求，研究和發展高性能交流伺服系統成為國內外同仁的共識。有些努力已經取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作電機材料的性能，改進電機結構，提高逆變器和檢測元件性能、精度等研究方向和努力。“軟形式”上存在從控制策略的角度著手提高伺服系統性能的研究和探索。如采用“卡爾曼濾波法”估計轉子轉速和位置的“無速度傳感器化”;采用高性能的永磁材料和加工技術改進pmsm轉子結構和性能，以通過消除/削弱因齒槽轉矩所造成的pmsm轉矩脈動對系統性能的影響;采用基于現代控制理論為基礎的具有將強魯棒性的滑模控制策略以提高系統對參數攝動的自適應能力;在傳統pid控制基礎上進入非線性和自適應設計方法以提高系統對非線性負載類的調節和自適應能力;基于智能控制的電機參數和模型識別，以及負載特性識別。
對于發展高性能交流伺服系統來說，由于在一定條件下，作為“硬形式”存在的伺服電機、逆變器以相應反饋檢測裝置等性能的提高受到許多客觀因數的制約;而以“軟形式”存在的控制策略具有較大的柔性，近年來隨著控制理論新的發展，尤其智能控制的興起和不斷成熟，加之計算機技術、微電子技術的迅猛發展，使得基于智能控制的先進控制策略和基于傳統控制理論的傳統控制策略的“集成”得以實現，并為其實際應用奠定了物質基礎。
伺服電機自身是具有一定的非線性、強耦合性及時變性的“系統”，同時伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統運行時受到不同程度的干擾，因此按常規控制策略很難滿足高性能伺服系統的控制要求。為此，如何結合控制理論新的發展，引進一些先進的“復合型控制策略”以改進“控制器”性能是當前發展高性能交流伺服系統的一個主要“突破口”。
伺服在工業自動化中應用現狀
在工業自動化生產過程中，只要涉及到被控設備精確地跟蹤給定參數，就需要用到伺服技術。而根據伺服技術的發展和應用來看，交流伺服技術具有更廣闊的發展空間和實用性。因此，交流伺服技術已在數控機床、機器人視覺、包裝機械等領域得到了實際的應用。
1)應用于數控機床
數控機床伺服系統的作用在于接受來自數控裝置的指令信號，驅動機床移動部件跟隨指令脈沖運動，并保證動作的快速和準確，這就要求高質量的速度和位置伺服。數控機床的精度和速度等技術指標往往主要取決于伺服系統。
數控車床中主軸為旋轉坐標，另外兩個坐標屬刀具進給系統(x、z坐標)。刀具在x軸向和z軸向的運動分別由各自的伺服電動機通過滾珠絲杠帶動，而電動機的轉動及運動方式均由伺服控制器控制。主軸電動機為高速內裝式感應電動機。主軸控制器通常采用矢量控制法對感應電動機進行控制，直接把轉速指令輸入主軸控制器就可以控制主軸的轉速。由數控系統cnc給出主軸電動機與進給伺服電動機控制命令完成對主軸速度控制與各進給軸的速度、位移控制，實現軌跡加工。各坐標軸都有相應的速度與位移檢測裝置，構成閉環反饋控制。主軸電動機由旋轉變壓器測速，由光電編碼器檢測位置實現分度使之與進給系統保持同步，完成各種加工。
2)機器人視覺伺服
機器人視覺伺服，一般指的是，通過光學的裝置和非接觸的傳感器自動地接收和處理一個真實物體的圖像，通過圖像反饋的信息，來讓機器系統對機器做進一步控制或相應的自適應調整的行為。
上個世紀60年代，由于機器人和計算機技術的發展，人們開始研究具有視覺功能的機器人。但在這些研究中，機器人的視覺與機器人的動作，嚴格上講是開環的。機器人的視覺系統通過圖像處理，得到目標位姿，然后根據目標位姿，計算出機器運動的位姿，在整個過程中，視覺系統一次性地“提供”信息，然后就不參與過程了。在1973年，有人將視覺系統應用于機器人控制系統，在這一時期把這一過程稱作視覺反饋。直到1979年，hill和park提出了“視覺伺服”概念。很明顯，視覺反饋的含義只是從視覺信息中提取反饋信號，而視覺伺服則是包括了從視覺信號處理，到機器人控制的全過程，所以視覺伺服比視覺反饋能更全面地反映機器人視覺和控制的有關研究內容。
上個世紀80年以來，隨著計算機技術和攝像設備的發展，機器人視覺伺服系統的技術問題吸引了眾多研究人員的注意。在過去的幾年里，機器人視覺伺服無論是在理論上還是在應用方面都取得了很大進展。在許多學術會議上，視覺伺服技術經常列為會議的一個專題。視覺伺服已逐漸發展為跨機器人、自動控制和圖像處理等技術領域的一門獨立技術。
3)應用于包裝機械
在包裝機械行業，制約生產速度提高的關鍵因素是包裝機械上有很多存在同步關系的高頻度定位動作，而傳統上采用單電機拖動加離合器或制動器方案來控制運動部件的啟動和停止，沖擊不可避免，導致離合器或制動器的摩擦片磨損后工作特性降低，影響動作的精度，更不可能完成高頻度、高精度的同步控制。如果各運動部件之間的傳動比是變量或傳送鏈較長時，采用單電機拖動時就需要更換很多傳動部件，操作起來周期長、成本高。
而交流伺服電機的恒轉矩、高響應性、免維護等特點使其在包裝機械上有著普通電機不可比擬的優勢。當一定量的指令脈沖發出后，變換器根據偏差計數器里的滯留脈沖的多少輸出速度指令電壓，通過電機控制部分驅動交流伺服電機轉動。電機旋轉過程中，位置反饋編碼器的反饋脈沖使得偏差計數器里的滯留脈沖減少，當偏差計數器里的滯留脈沖數量為零時，交流伺服電機停止轉動。電機轉動的速度由指令脈沖的頻率決定，電機旋轉角度由指令脈沖的數量決定。隨著交流伺服技術在包裝機械上的廣泛應用，使得包裝機械水平將踏上一個新的臺階。
結語
本文綜述了工業自動化和伺服技術的發展，工業自動化范疇寬泛，著重于伺服技術在數控機床、機器人視覺和包裝機械行業的應用現狀進行了介紹。伺服技術在工業自動化的其它行業同樣有著更廣泛的應用，并朝著兩個應用方向發展：一是滿足一般工業自動化應用要求，即對性能指標要求不高的應用場合，追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅動產品;二是代表著伺服技術發展水平的主導產品，即追求高性能、高速度、數字化、智能型、網絡化的驅動控制，以滿足較高的工業自動化應用要求。總之，伺服技術的發展，勢必對整個工業自動化的發展起到一個積極的推動作用。
