数字化无刷直流伺服电动机系统，或者按业内习惯叫做数字化永磁交流伺服电动机系统(永磁交流伺服系统)，无疑已成为当代运动控制领域伺服驱动的主流产品和发展趋势。国外各大伺服驱动厂商和电机制造商，在上世纪90年代就都发展完成了通用永磁交流伺服电动机系统的系列产品。额定功率一般在50W～20kW之间，转速一般在1000～3000r/min之间。国产伺服系统由研究所及高校研发的起步时间并不比国外晚，进入工业生产领域则较晚。以有代表性的珠海运控电机有限公司为例，最早生产自己设计的伺服电动机是在2000年，2003年初步形成50W～5kW的伺服系统系列产品，2006年开始向完整化、完善化系列产品和逐步量产方向发展。表明国产伺服系列产品即将进入发展的新阶段，能更好地满足广泛用户的需求。但是在发展国产伺服系列产品过程中也发现，由于运控系统所涉及的领域极其广泛，对伺服系统的要求千变万化，十分多样，所以在基本系列产品的基础上，还要根据应用系统的要求，不断拓展要求相对特殊一些的产品，更好地满足广泛的市场需要，这也是我们发展产品的重要思路之一[1]。本文介绍的是应用于数控鞋楦机中高速伺服系统的一个实例。
我国是世界头号制鞋大国，鞋类产品的产量和出口量一直稳居世界之首。制鞋业的发展使得与之不可分割的鞋楦业迅速发展，相应地也出现了数控鞋楦机，或通常所说的电脑鞋楦机。鞋楦机用来加工鞋楦模型，它的运动控制系统包括四个坐标，如图1所示。其中θ轴带动工件转动，X、Y和θ三轴运动合成了鞋楦模型的轮廓;R轴带动刀杆旋转，完成切削加工。前三轴是典型的位置伺服系统，选用基本系列的适当型号就可以满足要求。R轴则不一样，没有位置控制的要求，只要根据加工对象材质不同，保持适当的转速旋转就可以了。由于鞋楦模型的材质以塑料为主，要求刀具以高速转动，至少9000r/min以上，否则难以保证加工表面的光滑美观，而且在切削过程中也不能因为切削力的变化而使转速有明显的波动。基本系列的交流伺服系统中，没有这么高速的规格品种，所以现有的数控鞋楦机中，只有三个轴采用了交流伺服系统[2]，刀杆的传动则采用标准的异步电动机，看到的一个实例是用一台普通的四极异步电动机，经1：5升速带动刀杆旋转，刀杆转速约7000r/min。这种系统的缺点是：结构不紧凑，转速偏低，而且不稳定，使得表面加工质量差。如果采用交流伺服系统，虽然用不着它的位置伺服功能，但是它的速度环和电流环，可以保证速度很稳定，即使负载变化也影响很小，而且在多头鞋楦机中完全能保证多头加工工件形状和表面质量的一致，将带来数控鞋楦机的突破性进展，可见为此在基本系列之外专门开发一款高速伺服系统是有价值的。
图1鞋楦机四轴示意图
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设计结构特点及关键技术
带动数控鞋楦机刀杆转动进行切削加工的伺服电动机，采取每个单头的刀杆独立驱动的方式，根据实际经验，其基本技术要求大致确定为：额定转速nN=9500r/min;额定功率PN=1000W。
高速永磁电动机一般而言，会对转子的强度要求提高，对轴承的要求提高，会引起噪声振动问题，会引起机械损耗、铁心损耗增大和温升提高问题等[3]。伺服电动机更要考虑采用高速编码器的问题。对伺服驱动器则没有原则性的影响。
基本系列伺服系统采用的位置传感器是通用的增量型光学编码器，以2500线为主。从脉冲频率极限及机械强度角度出发，这类编码器的最高转速都限于5000r/min，不能适应所述高速伺服系统的要求。位置传感器改选用TS2620N21E11型旋变，它的最高转速为30000r/min，完全可以满足需要。同时采用了配套的解码芯片Au6802N1，它可提供旋变所需的励磁信号，将旋变的输出信号解调并转换成不同类型的数字信号，包括与增量型光学编码器一样的数字信号，应用起来很方便[4]。
在转速不是很高，在10000r/min左右时，轴承无需采用特殊冷却方式，仍可采用自带油脂润滑的普通轴承就可以了。只是在负荷容许的情况下，适当采用尺寸偏小的轴承，在装配时选用合适的轴承室和轴承档配合尺寸。
永磁电动机的转子，多数情况下采用表面永磁体结构，永磁磁极通常用胶粘在转子磁轭表面。高速电机中需采用非导磁金属护套，或用无纬玻璃丝带缠绕后加环氧胶固化。我们生产的基本系列产品，永磁电机的转子结构，逐步已改为内置永磁体(IPM)结构，从机械强度角度看，完全适应高速电动机的要求，可靠性更高。
内置永磁体结构对改善齿槽定位转矩有明显好处[5]，对转子质量对称分布有利，有益于降低电动机的转矩波动，改善电动机的噪声和振动，这对高速电动机尤为重要。
基本系列伺服电动机电磁设计的特点：通常都是采用高性能的永磁体材料，一般为烧结NdFeB;高有效材料利用率，即采用高的电、磁负荷;大都为三对极或四对极机构，以获得其高功率(转矩)密度和高响应特性，笔者的设计也不例外，基本上都是四对极结构。四对极永磁电动机在9500r/min时，电磁频率为633Hz，已进入中频(≥400Hz)范围，按照通常认为铁心损耗计算，将为工频(50Hz)时的27倍，可见标准的电磁设计会使得铁损太大，温升过高，无法承受。也就是说降低电动机的铁心损耗将成为高速伺服电动机的设计特点和关键技术。
