交流伺服驅動技術及其發展趨勢

 陳陽生¹，楊浩東¹，陶志鵬²

(1．浙江大學，浙江杭州310027；2.杭州英邁克電子有限公司，浙江杭州310027)

 0引言

    近年來隨著永磁材料、功率半導體、微處理器以及計算機技術的進步，永磁交流伺服電機和交流伺服驅動器得到了飛速的發展，從最初的實驗室研究到現在已經廣泛的應用到社會生活的各個領域。由于伺服驅動系統比其它驅動系統具有一系列獨特的優點，如功率密度高、動態響應快、低速力矩大、調速范圍寬、精度高、可靠性好、效率高等，在高精度數控加工設備、紡織機械等領域得到了廣泛應用，基本取代了傳統的直流伺服和步進驅動等傳統驅動設備。在現代數控裝備中，交流伺服驅動系統是裝備中的最終執行部件，裝備的高精度機械運動和操作也是由交流伺服電機及其驅動系統來完成，其性能的好壞直接決定了整套裝備的性能，是現代數控裝備中的核心部件之一。

    交流伺服系統是一個典型的機電一體化產品，由伺服電機本體和伺服驅動器兩部分組成。伺服電機目前一般都采用稀土永磁材料勵磁，由于永磁材料磁性能的不斷提高，伺服電機向著高功率密度、高效率和高精度方向發展；伺服驅動器不斷向著高集成度、智能化和網絡化的方向發展。

    國內在伺服系統方面的研究工作起步較晚，總體的開發和研究水平還相對較低，國內伺服驅動產品以中低端為主，高檔伺服驅動產品基本仍是空白，整體的技術水平不高，在系統的自適應性、可靠性等方面和國外產品有明顯的差距。我國在伺服驅動方面的嚴重不足和落后，已經嚴重地抑制了我國數控機床的技術進步和產品性能的提升，也成為了我國發展各類高檔數控機床的重要技術瓶頸之一。2009年國家啟動的“高檔數控系統”專項，也將伺服驅動系統作為關鍵技術進行攻關研究。

1永磁交流伺服電機技術

    水磁交流伺服電機，簡稱伺服電機，是一種永磁同步電機，一般由機殼、定子、轉子和位置反饋裝置(如光電編碼器)等組成，如圖1所示。定子由沖片和繞組組成，和異步電機相似，但交流伺服電機的極數和定轉子齒槽配合與普通三相異步有較大差別，一般極數較

高。伺服電機轉子是永磁轉子，一般采用稀土永磁材料，如釹鐵硼、釤鈷等。

    伺服電機的性能將直接影響伺服系統，乃至整套設備的性能。為了減小伺服電機體積和重量，提高系統出圖l伺服電機組成力和加速性能，高功率密度的交流伺服電機的設計和制造技術是伺服系統的主要研究和發展方向。伺服電機作為一種永磁電機，經過多年的發展

和改進，其設計和制造技術已經相對成熟。為了進一步提高伺服電機的各種性能，同時減小電機的成本，需要從電磁和機械設計、定子和轉子的設計制造技術、電機損耗和散熱技術等多方而入手，采取多種技術手段，來進一步提高伺服電機的功率密度和整體性能。

1.1電機設計技術

    高性能伺服電機的設計和制造技術，是伺服驅動技術的關鍵之一。目前國內般都采用傳統的磁路分析法來沒計伺服電機。對于高性能的交流伺服電機，由于其要求高，而磁場分布、發熱、受力等情況又較為復雜，如采tHj傳統的磁路的方法來設計，一般誤差很大，很難發計出滿足性能指標要求的電機，也不能對電機的齒槽力矩、力矩波動、電感變化、磁路飽和等做很細致精確的分析。

    目前比較先進的設計方法是以二維有限元為主，結合三維有限元，對電機的整體、局部進行優化設計，對電機各部分電磁負荷、損耗、出力、主漏磁通、損耗等進行詳細分析，保證電機各項性能參數都可以達到期望值。由于整體采用了有限元法，可使得設計精度得到保證。圖2是經有限元優化設計后的電機磁通密度分布圖，其磁通密度以顏色表示，綠色表示沒有磁場分布，而黃色表示該處的磁通密度超過了1 8T，鐵心開始飽和。

    交流伺服電機與伺服控制器的匹配好壞，將直接影響到系統的精度和性能。因此，從系統的角度研究電機和驅動器的優化技術，可以****限度的優化系統成本，同時提高系統性能，如在電機弱磁控制方面，只有電機本體有很好的弱磁性能,并且控制器具有弱磁控制的功能，才能實現系統的****弱磁控制。