伺服系统的发展
现代交流伺服系统技术和市场发展综述

1 .交流伺服系统基本性能和控制
方法
在交流伺服系统 中,电动机的类型 有永磁同步交流伺服电机 ( MS 和感 P M) 应异步交流伺服 电机( 。前者具备十 I M)
( 和利时电机)华中数控、 、 广数、 南京埃斯
顿、 J 电机厂等。其中华中数控、 兰' t 1 广数 等主要关注在数控机特性, 目前普遍应用的是基于永磁 电机动态解 耦数学模型的矢量控制方法, 这是现代伺
二 技术发展方 向
现代交流伺服系统,经历了从模拟 到数字化的转变,数字控制环已无处不 在, 比如换相、 电流、 速度和位置控制; 采 用新型功率半导体器件、高性能D P S 加 F GA P 、以及伺服专用模块( 比如 I 推出 R
节, 发展了无位置传感器技术(e s r s S n ol s e
者虽然结构坚固、制造简单、价格低廉,
但是在特性上和效率上存在差距, 只在大 功率场合得到重视 本文将重点讨论永 磁同步交流伺服系统。
交流伺服系统的性能指标可 以从调
C nr1 ot ) 。至今, o 在商品化的产品中, 采
维普资讯
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誊劲控制及饲照 步进电动规
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现代交流伺服系统技术 和市场发展综述
王健
一
关键词 :伺服 系统 技术发展 市场状况
王健先生, 北京和利 时电机技术有限公司。
概述
方面国产产品、 包括部分台湾产品和世界 先进水平相比差距较大。
到 士O0 mj以内:动态响应方面, .1/ n r 通 常衡量的指标是系统最高响应频率, 即给
尽管这方面的工作早就在进行,但
伺服原理及运动控制介绍2017

伺服系统的实例
47
为什么用伺服
总体是说就是对运动控制特性的更高追求,促 使用户选用伺服系统
高精度的要求 响应速度的要求 平稳性的要求 …
48
伺服电机的主要技术参数(一)
功率:(单位:W,KW)100、200、 400、600、1KW…
持续电流Ic:(单位:A) 峰值电流Ip:(单位:A) 反电动势:(单位:V/千转/分钟) 相间电阻:(单位:Ω)
民用:自动封装、机械制造、航空航天、交通运输、石油 化工、家用电器;
军用:武器控制,如导弹火炮;
狭义地讲,就是伺服控制系统;
3
2、为什么会产生运动控制系统
现实需求:如减轻劳动强度、提高生产效率、 探索自然奥秘;
相关技术的进步:如电力电子、计算机、微 处理器;
3、控制方式
开环控制:控制过程只有顺向作用而没有反 向联系,如步进马达控制;
W ( s ) K e j
• 当相位延迟180度时,系统变成正反馈; • 对于正反馈系统,当K小于1时系统依然稳定; • 可见,K与1的关系对于系统的稳定性具有决定
性的作用; • 由此,引出了增益裕度和相位裕度的概念。
增益(dB)
20
10
0
-10
-21001
102
103
104
100
相位(度)
2、基本功能组成
3、发展历史
控制方式:由模拟控制到数字控制; 功率驱动:50年代后期的晶闸管、70年代后期的
门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管 (BJT)、电力场效应管(Power-Mosfet)、80 年代后期出现的绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)、 目前开始广泛应用的IPM; 执行元件:从直流电机到交流电机
光电跟踪仪伺服控制系统原理及发展现状

光电跟踪仪伺服控制系统原理及发展现状2012年 6 月目录摘要 (1)第1章引言 (2)第2章光电跟踪仪伺服控制系统的基本原理 (3)2.1计算机控制单元 (3)2.2环路控制单元 (3)第3章光电跟踪仪伺服控制系统的关键技术 (5)3.1瞄准线稳定技术 (5)3.2复合控制技术 (5)3.3等效复合控制与预测滤波技术 (6)3.4共轴跟踪技术 (6)3.5复合轴控制技术 (7)3.6其它高精度控制技术 (8)第4章光电跟踪仪伺服控制系统的国内外发展现状及趋势 (9)4.1国内外发展现状 (9)4.2发展趋势 (9)摘要光电跟踪仪中的伺服控制系统是光电跟踪设备的重要组成部分,其跟踪精度是衡量光电跟踪设备的主要指标,实现高精度跟踪控制,成为许多高精度光电跟踪设备必须解决的难题之一。
因此要获得高精度的光电跟踪仪,必须深入了解其伺服控制系统。
本文从光电跟踪仪伺服控制系统的基本原理、关键技术及其国内外发展现状与发展趋势三方面对其进行了介绍,为伺服控制系统的设计及研究提供了参考。
关键词:光电跟踪,伺服控制系统,跟踪精度第1章引言光电跟踪伺服控制系统是一个包括光电探测、信号处理、控制系统及精密机械等几部分组成的复杂设备。
它的主要功能是根据光电传感器送来的目标位置偏差信号的大小及方向控制伺服电机驱动跟踪轴,减小偏差,实现对目标的光电闭环自动跟踪,其具有实时性、精度高的特点,在靶场测量、武器控制、航空等各种军用与民用领域有着广泛的应用。
随着现代技术的发展、目标机动性能的增强,对光电跟踪仪的伺服控制系统要求越来越高,要求其响应更快、稳定和跟踪精度更高。
某些系统甚至要求跟踪精度达到1μrad。
多年来,国内外的科技工作者在提高光电跟踪仪伺服控制系统跟踪精度方面进行了深入的伺服控制策略方面的研究。
为此,深入了解光电跟踪仪伺服控制系统的工作原理、关键技术的应用与研究及国内外发展现状,对于探讨进一步提高其性能指标的方法具有重要的意义。
为什么要使用伺服系统

为什么要使用伺服系统
伺服系统是现代工业生产中的重要组成部分。
它是一种能够通过电
子或者机械的控制来精确运动的装置,可以用于各种各样的应用场合,从工厂机器人到医疗设备都有涉及。
那么,为什么要使用伺服系统呢?
1. 提高精度和可靠性
伺服系统具有高度可控性和精度,能够实现非常准确的位置控制。
通过伺服控制算法,可以快速响应各种运动需求,精确地调整输出,
实现对机器人、物流系统等的运动控制。
相比之下,传统的步进电机、变频器等系统的精度和可靠性都要差一些。
2. 增加生产效率
由于伺服系统的高度可控性和精度特点,使用伺服系统可以在制造
行业中提高生产效率。
比如,在自动化生产线中,使用伺服系统能够
更加准确地控制输送带和机器人的运动,从而减少机器的卡顿和停滞,提高生产效率。
在医疗器械制造过程中,使用伺服系统可以减少制造
误差,保证设备的精准度和可靠性,从而提高工作效率。
3. 节约能源
伺服电机在执行任务时需要自主调节电流大小,使得机器人等设备
能够在达到所需要的任务时更加高效,更少的功耗,节约更多的能源。
4. 减少维护成本
伺服系统的某些使用情况会因运行状况的数据和实时反馈保持较高的控制可靠性,因此要选择适合的伺服系统件,良好的调试和编程也将在执行及修复期间减少故障的发生,降低了维护成本。
这也可以增加机器在生产中使用寿命。
综上所述,使用伺服系统有助于提高精确性,增加生产效率,节约能源,减少维护成本等多方面的好处,因此,今后工业生产和制造过程中的应用也将趋势性的朝着伺服系统的技术发展。
机器人伺服系统详解(组成-原理框图-执行元件-发展趋势)

机器人伺服系统详解(组成/原理框图/执行元件/发展趋势)若说当下的热门科技,机器人绝对算一个。
机器人作为典型的机电一体化技术密集型产品,它是如何实现运作的呢?
机器人的控制分为机械本体控制和伺服机构控制两大类,伺服控制系统则是实现机器人机械本体控制和伺服机构控制的重要部分。
因而要了解机器人的运作过程,必然绕不过伺服系统。
伺服系统
伺服系统是以变频技术为基础发展起来的产品,是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
伺服系统除了可以进行速度与转矩控制外,还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。
广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统,也可称作随动系统。
狹义伺服系统又称位置随动系统,其被控制量(输出量)是负载机械空间位置的线位移或角位移,当位置给定量(输入量)作任意变化时,系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。
伺服系统的结构组成
机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多,但从自动控制理论的角度来分析,伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。
伺服系统组成原理框图
1、比较环节
比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较,以获得输出与输入间的偏差信号的环节,通常由专门的电路或计算机来实现。
2、控制器
控制器通常是计算机或PID(比例、积分和微分)控制电路,其主要任务是对比较元件输。
浅析伺服系统在数控机床中的应用及发展

智能化
伺 服 器 控 制 模 式 的 智 能 化 , 在 内 部 预 先 编 程 如
实 现 某 种 运 动 轨 迹 , 制 本 站 点 周 边 的 1 口, 带 主 从 跟 随 控 0 内 模式调整 , 电子 凸轮 等 。
问题 , 如电刷和换 向器 易磨 损 , 护工作 量 大 , 维 成本 高等 。② 交流伺服 系统。其进 给运动系统采用 交流感应 异步伺 服 电机 和永磁 同步伺 服电机 。交流伺服系 统的优点 除 了具 有稳定性 好 、 速性 好 、 度高 的特点 外 , 快 精 与直 流伺 服 电机系 统相 比有
如下 :
13 1 按用途和功能分类 ..
1进 给驱动系 统 : ) 用于数 控机 床工 作 台坐标 或 刀架坐 标 的控制系统 , 控制机床各坐标轴 的切削进给运 动 , 并提供 切削
过 程 所 需 的力 矩 。
12 1 可 逆 运 行 ..
可逆运行要求 能灵 活地 正反 向运行 。在加工 过程 中, 机
控制编码或其他符 号指令规 定的程序 , 并将其译码 , 再进行 必要 的信 息处理和运算后控 制机床 动作 并加 工零件。伺服 系统 的 系统直接 关 系到数控机床执行件 的静 态和动 态特性 、 工作精度、 负荷 能力和稳 定程度等 。因此, 究与开发 高性 研
能 的伺 服 系统 一 直 是现 代 数 控 机 床 的 关键 技 术之 一 。 关键 词 : 服 系统 ; 控 机 床 ; 用 ; 展 伺 数 应 发 di1 .99jin 10 —85 . 1 .8 02 o:0 36/. s.0 6 542 20 .0 s 0
132 按控制原理分类 .. 1开环伺 服系统 : ) 系统 中没有 位置测 量装置 , 号流是 单 信 向的( 数控装置一 进给系统) 故系统稳定性好。 , 2 半开环伺服 系统 : ) 系统 的位 置采样 点是 从伺 服 电机 或 丝杠 的端部 引出 , 采样旋转角度进行检 测 , 不是直接 检测最 终
什么叫伺服

什么叫伺服?用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。
又称随动系统。
在很多情况下,伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统,其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。
伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。
伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中,后来逐渐推广到很多领域,特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。
采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的:①以小功率指令信号去控制大功率负载。
火炮控制和船舵控制就是典型的例子。
②在没有机械连接的情况下,由输入轴控制位于远处的输出轴,实现远距同步传动。
③使输出机械位移精确地跟踪电信号,如记录和指示仪表等。
衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度。
频带宽度简称带宽,由系统频率响应特性来规定,反映伺服系统的跟踪的快速性。
带宽越大,快速性越好。
伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。
惯性越大,带宽越窄。
一般伺服系统的带宽小于15赫,大型设备伺服系统的带宽则在1~2赫以下。
自20世纪70年代以来,由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机,使伺服系统实现了直接驱动,革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素,使带宽达到50赫,并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。
伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。
因此,在伺服系统中必须采用高精度的测量元件,如精密电位器、自整角机和旋转变压器等。
此外,也可采取附加措施来提高系统的精度,例如将测量元件(如自整角机)的测量轴通过减速器与转轴相连,使转轴的转角得到放大,来提高相对测量精度。
采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。
通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道,直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。
伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。
伺服就是一个提供闭环反馈信号来控制位置和转速.伺服在半导体设备中的应用极其广泛,例如在涂胶机,光刻机等设备上均有,下面就关于伺服电机的相关问题作出了整理,希望在今后的工作中能带来帮助.1.伺服电机为什么不会丢步?伺服电机驱动器接收电机编码器的反馈信号,并和指令脉冲进行比较,从而构成了一个位置的半闭环控制。
数控进给伺服系统与驱动电机的发展及趋势

盛发展 的时代 ,由于直流电动机具有优 良的调速性 能, 很多高性能驱动装置采用了直流 电动机 , 伺服 系 统 的位置 控制 , 由开环 系统 发 展为 闭环 系统 。 也 直 流伺 服 的工作 原 理 ,是 建立 在 电磁力 定 律 基 础 上 。与 电磁 转矩 相 关 的 , 互 相独 立 的两个 变 量 主 是 磁通与 电枢电流 ,它们 分别控制励磁 电流与电枢 电 流, 可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制 角度看 , 直流伺服的控制 , 是一个单输入单输出的单 变量控制系统 , 经典控制理论完全适用于这种系统。 因此 , 直流伺服 系统控制简单 , 调速性能优异 , 在数 控机床的进给驱动中, 曾占据着主导地位 。 然而 , 从实际运行考虑 , 直流伺 服电动机引入了 机械换向装置。 其成本高 , 障多 , 故 维护 困难 , 经常因 碳刷产生的火花而影响生产 ,并对其他设备产 生电 磁 干 扰 。同时机 械换 向器 的换 向能 力 , 限制 了 电动机 的容量和速度。电动机的电枢在转子上 , 使得电动机 效 率 低 , 热 差 。为 了改 善 换 向能力 , 小 电枢 的漏 散 减 感 , 子 变得 短 粗 , 响 了系统 的动 态性 能 。 转 影 23 第 三 个发 展 阶段 . 2 世纪 8 年代至今 , 0 0 属第三发展阶段 。 这一阶段是 以机电一体化时代为背景的 ,由于 伺服 电动机结构及其永磁材料和控制技术 的突破性 进展 , 出现 了无刷直流伺服 电动机 ( 方波驱动 )交流 , 伺 服 电动机 ( 弦波 驱 动 ) 正 等种 种新 型 的 电动机 。 针对直流 电动机 的缺陷 , 如果将其做 “ 翻外 ” 里 的处理 , 即把 电 驱 绕组 装 在 定 子 、 子 为永 磁 部 分 , 转 由转子轴上的编码器测 出磁极位置 ,就构成了永磁 无刷 电动机 , 同时随着矢量控制方法 的实用化 , 使交 流伺服系统具有 良好的伺服特性。其宽调速范围、 高 稳速精度 、快速动态响应及四象限运行等 良好的技
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伺服系统的发展
伺服系统在机电设备中具有重要的地位, 下面简单谈谈其发展历程:
(1 ) 直流伺服系统
伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所
驱动的电机类型分为直流(DC)伺服系统和交流(AC)伺服系统。50
年代,无刷电机和直流电机实现了产品化,并在计算机外围设备和机械 设备上获
得了广泛的应用。 70年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的 时代。
( 2)交流伺服系统
从 70 年代后期到 80 年代初期,随着微处理器技术、大功率高性能 半导体
功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的 日益提高,交流
伺服技术—交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为 主导产品。交流伺服驱动
技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术 之一,并将逐渐取代直流伺服系
统。
交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分,主要有两大类 :永 磁同步
( SM 型)电动机交流伺服系统和感应式异步( IM 型)电动机交 流伺服系统。
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其中,永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全 成熟,具备了十分优良
的低速性能,并可实现弱磁高速控制,拓宽了系 统的调速范围,适应了高性能伺
服驱动的要求。并且随着永磁材料性能 的大幅度提高和价格的降低,其在工业生
产自动化领域中的应用将越来 越广泛,目前已成为交流伺服系统的主流。感应式
异步电动机交流伺服 系统由于感应式异步电动机结构坚固,制造容易,价格低
廉,因而具有 很好的发展前景,代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用
矢量 变换控制,相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂,而且电机 低
速运行时还存在着效率低,发热严重等有待克服的技术问题,目前并 未得到普遍
应用。
系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机,功率变换器件 通常采用
智能功率模块 IPM 。为进一步提高系统的动态和静态性能,可 采用位置和速度
闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变 器的电流响应速度, 并
且能限制暂态电流, 从而有利于 IPM 的安全工作。 速度环和位置环可使用单片
机控制, 以使控制策略获得更高的控制性能。 电流调节器若为比例形式,三个
交流电流环都用足够大的比例调节器进
行控制,其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些, 使被控异
步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变
化,从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流用比例调节,具有结 构简单、
电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优 点。
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(3)交直流伺服系统的比较
直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响,其发展受到了限制。直 流伺服电
机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点,在运行过程中转 子容易发热,影响
了与其连接的其他机械设备的精度,难以应用到高速 及大容量的场合,机械换向
器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。
交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件 所带来的
各种缺点,特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现 出交流伺服系统的
优越性。所以交流伺服系统在工厂自动化( FA)等各
个领域得到了广泛的应用。
从伺服驱动产品当前的应用来看,直流伺服产品正逐渐减少,交流 伺服产品
则日渐增加,市场占有率逐步扩大。在实际应用中,精度更高、 速度更快、使用
更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。
(4)伺服系统的发展趋势
从前面的讨论可以看出,数字化交流伺服系统的应用越来越广,用 户对伺服
驱动技术的要求越来越高。总的来说,伺服系统的发展趋势可 以概括为以下几个
方面:
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1.交流化
伺服技术将继续迅速地由 DC 伺服系统转向 AC 伺服系统。从目前 国际市场
的情况看,几乎所有的新产品都是 AC 伺服系统。在工业发达 国家, AC 伺服电
机的 市场占有率已经超过 80% 。在国内生产 AC
伺服电机的厂家也越来越多, 正在逐步地超过生产 DC 伺服电机的厂家。 可以
预见,在不远的将来,除了在某些微型电机领域之外,AC伺服电机 将完全取代
DC 伺服电机。
2. 全数字化
采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机(DSP)的伺服控制
单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元,从而实现完全数 字化的伺
服系统。全数字化的实现,将原有的硬件伺服控制变成了软件 伺服控制,从而使
在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法(如 :最优
控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等)成为可能。
3. 采用新型电力电子半导体器件
目前,伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新
型功率半导体器件,主要有大功率晶体管(GTR)、功率场效应管
(MOSFET)和绝缘门极晶体管(IGBT)等。这些先进器件的应用显著
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地降低了伺服单元输出回路的功耗,提高了系统的响应速度,降低了运 行噪声。
尤其值得一提的是,最新型的伺服控制系统已经开始使用一种 把控制电路功能和
大功率电子开关器件集成在一起的新型模块,称为智 能控制功率模块
( Intelligent Power Modules ,简称 IPM )。这种器 件将输入隔离、能耗制
动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全 部集成于一个不大的模块之中。
其输入逻辑电平与 TTL 信号完全兼容, 与微处理器的输出可以直接接口。它的
应用显著地简化了伺服单元的设 计,并实现了伺服系统的小型化和微型化。
4. 高度集成化
新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺 服单元两
个模块的做法,代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单 元。同一个控制单元,
只要通过软件设置系统参数,就可以改变其性能, 既可以使用电机本身配置的传感
器构成半闭环调节系统,又可以通过接 口与外部的位置或速度或力矩传感器构成
高精度的全闭环调节系统。高 度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积,使
得伺服系统的安装 与调试工作都得到了简化。
5.智能化
智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势,伺服驱动系统作为一 种高级的
工业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常 都设计为智能型产
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品,它们的智能化特点表现在以下几个方面 :首先他们 都具有参数记忆功能,系
统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式 由软件来设置,保存在伺服单元内
部,通过通信接口,这些参数甚至可 以在运行途中由上位计算机加以修改,应用
起来十分方便 ;其次它们都具 有故障自诊断与分析功能,无论什么时候,只要系
统出现故障,就会将 故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显
示出来,这
就简化了维修与调试的复杂性 ;除以上特点之外,有的伺服系统还具有参 数自整
定的功能。众所周知,闭环调节系统的参数整定是保证系统性能 指标的重要环
节,也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功 能的伺服单元可以通过
几次试运行,自动将系统的参数整定出来,并自 动实现其最优化。对于使用伺服
单元的用户来说,这是新型伺服系统最 具吸引力的特点之一。
6.模块化和网络化
在国外,以工业局域网技术为基础的工厂自动化( Factory
Automation 简称FA)工程技术在最近十年来得到了长足的发展,并 显示出良好
的发展势头。为适应这一发展趋势,最新的伺服系统都配置 了标准的串行通信接
口 (如RS-232 C或RS-422接口等)和专用的局域 网接口。这些接口的设置,
显著地增强了伺服单元与其它控制设备间的 互联能力,从而与 CNC 系统间的连
接也由此变得十分简单, 只需要一根 电缆或光缆,就可以将数台,甚至数十台
伺服单元与上位计算机连接成 为整个数控系统。也可以通过串行接口,与可编程
控制器( PLC)的数 控模块相连。
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综上所述,伺服系统将向两个方向发展。一个是满足一般工业应用 要求,对
性能指标要求不高的应用场合,追求低成本、少维护、使用简
单等特点的驱动产品,如变频电机、变频器等。另一个就是代表着伺服
系统发展水平的主导产品—伺服电机、伺服控制器,追求高性能、高速
度、数字化、智能型、网络化的驱动控制,以满足用户较高的应用要求