永磁交流伺服系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況

    黃聲華，吳芳

(華中科技大學(xué)，湖北武漢430074)

    摘要：永磁交流伺服系統(tǒng)發(fā)展日新月異，對(duì)近十年來(lái)國(guó)內(nèi)外永磁交流伺服系統(tǒng)的研究成果作一綜述。在分析永磁交流伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了永磁交流伺服系統(tǒng)控制策略、位置檢測(cè)和辨識(shí)、主電路和驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及通訊網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，指出了目前國(guó)內(nèi)永磁交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)方向及其與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。

    關(guān)鍵詞：永磁交流伺服；發(fā)展概況；控制策略；位置檢測(cè)；驅(qū)動(dòng)技術(shù)

    中圖分類號(hào)：T~M359．4    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A    文章編號(hào)：1004-7018(2008)05—0052-115

0引  言

    隨著電機(jī)理論、永磁材料、電力電子技術(shù)、控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的驚人發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，自20世紀(jì)70年代末以來(lái)，取得了舉世矚目的進(jìn)展，已具備有寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快動(dòng)態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，其動(dòng)、靜態(tài)特性已完全可以與直流伺服系統(tǒng)相媲美。多年來(lái)，“交流取代直流伺服”這一愿望正逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并不斷有新的研究成果和新產(chǎn)品出現(xiàn)。

    近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外日益完善的永磁交流伺服系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，性能指標(biāo)不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。縱觀目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)狀，國(guó)外知名品牌的永磁交流伺服系統(tǒng)仍占據(jù)了國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)中、高端應(yīng)用領(lǐng)域，而國(guó)內(nèi)成熟產(chǎn)品主要應(yīng)用在中、低端設(shè)備領(lǐng)域中，如簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床、服裝加工機(jī)械、包裝機(jī)械等等，究其原因是國(guó)外知名品牌的產(chǎn)品具有較明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。例如代表目前永磁交流伺服系統(tǒng)世界先進(jìn)水平的三菱公司推出的MR系列交流伺服單元具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

    (1)采用內(nèi)含數(shù)字信號(hào)處理器的高性能cPu，其運(yùn)算速度極快，永磁電機(jī)速度的頻率響應(yīng)達(dá)到550 Hz以上，非常適合于高速定位的場(chǎng)合。

    (2)采用17位(131 072 P／rev)的高分辨率編碼器和先進(jìn)的控制策略，大大降低永磁電機(jī)的速度波動(dòng)率，其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到負(fù)載力矩波動(dòng)從0～100變化時(shí)，電機(jī)速度波動(dòng)率≤百分之O．01，從而可以滿足精密數(shù)控機(jī)床等設(shè)備的需求。

    (3)智能化的控制確保電機(jī)在各種工況(如加、減速轉(zhuǎn)矩較小或摩擦力較大時(shí))均能自動(dòng)調(diào)整到****運(yùn)行狀態(tài)，并能實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)帶負(fù)載的機(jī)械振動(dòng)頻率，進(jìn)而消弱系統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)。

    (4)先進(jìn)的上位機(jī)支撐軟件，通過(guò)上位機(jī)與伺服系統(tǒng)的串行通訊接口，能自動(dòng)對(duì)伺服電機(jī)加振，并能分析出機(jī)械系統(tǒng)的頻率，從而對(duì)包括機(jī)械系統(tǒng)在內(nèi)的伺服單元調(diào)整到****工作狀態(tài)。

    (5)完善的系列化產(chǎn)品，便于各類用戶選擇。高端產(chǎn)品離不開日益發(fā)展的高新技術(shù)的支撐。為此，本文將對(duì)交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)作一綜述。

1交流伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

    綜合國(guó)內(nèi)外交流伺服系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀，可以清楚地看出其發(fā)展趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)永磁化交流伺服系統(tǒng)主要有永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)和異步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)兩大類。異步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)具有電機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、制造容易、價(jià)格低廉、弱磁調(diào)速易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但與永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)相比存在著效率低、功率因數(shù)低、低

速力矩小、轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重等問(wèn)題。而隨著永磁材料性價(jià)比的不斷提高，永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和新的控制策略的發(fā)展，其耐高溫、耐振動(dòng)、可弱磁調(diào)速的性能不斷提高。最典型的應(yīng)用就是電動(dòng)汽車和高性能電梯曳引機(jī)已逐步引進(jìn)永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)，其性能與異步交流伺服系統(tǒng)相比有明顯提高。

    (2)全數(shù)字化和控制智能化

    交流伺服系統(tǒng)控制單元經(jīng)歷了模擬式、混合式、全數(shù)字化逐步演變進(jìn)步的過(guò)程，各類新型高速微處理器和電機(jī)專用DsP的出現(xiàn)，為伺服控制單元實(shí)現(xiàn)包括位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的全數(shù)字化控制奠定了堅(jiān)實(shí)的物資基礎(chǔ)，從而將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，不僅大大簡(jiǎn)化了伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了運(yùn)行可靠性，而且在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代控

制理論的先進(jìn)算法(如：****控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)成為可能，從而促使交流伺服系統(tǒng)的控制性能進(jìn)一步提高。

  (3)高度集成化

  一方面永磁材料磁能積不斷提高，永磁同步電動(dòng)機(jī)的體積重量明顯下降；另一方面電力電子技術(shù)的發(fā)展，一大批新型功率器件應(yīng)用到交流伺服控制單元中，最典型的是IGBT智能模塊(I