現代永磁電動機及交流伺服系統的發展和應用

    孫運旺

    (臺州學院，浙江臺州31700o)

    摘要：較詳細介紹r現代永磁電動機及伺服系統當前的發展和應用情況，并著重介紹了幾種典型的應用及今后發展的趨勢。

    關鍵詞：永磁l司步電動機；交流伺服系統；數字控制；綜述

o引  言

    現代工業自動化技術和裝備涉及到多個學科領域，系統中的計算機柏當于人的大腦，負責對所有的信息進行數值計算、邏輯推理、決策和判斷，并發出控制指令。而自動化裝備執行計算機發出的運動命令，需要現代永磁電動機和機電機構等來完成。接受控制命令，對控制信號運算操作，提高執行能力，驅動執行機構運動，完成特定任務，這樣的系統需要電氣、氣動、液壓和機械等裝置；接受控制命令，產生動力，驅動機構完成特定的運動，這就是伺服系統的任務。為此，現代永磁電動機和交流伺服系統是工廠自動化、生產自動化不可缺少的基本的現代技術裝備。

1現代永磁電動機的現狀及其發展趨勢

    當前工農業生產以及軍事工業上常使用的電動機有二三類：直流電動機、交流電動機及特種電動機。由于各種電動機的特性不同，對驅動伺服系統特性要求也不同。目前，永磁電動機發展很快，它具有功率密度高、效率高、轉矩大，并且功率因數也較高。為此，它不論在有功消耗，還是無功損耗方面都優于大量使用的交流電動機，可以說現代永磁電動機足一種節能降耗的機械產品。

    目前，現代永磁同步電動機單機容量已經超過1000 kw，****轉速已超過300000 r／min，****轉速低至1.01r／min，最小永磁電機的外徑只有0.8mm，長度僅l.2 mm。

    我國已經研制成功1 025 kw、2p=4極的永磁同步電動機，并且應用在煉鋼廠的風機、水泵的驅動中，收到了可觀的節能效果。

    除此之外，永磁直流電動機、永磁直線電動機、永磁步進電動機、永磁伺服電動機、永磁電動執行器等現代永磁電動機及其執行機構目前正朝著大容量、高轉速及微特型化、超低轉速、大轉矩方向發展。

2交流伺服系統的現狀及發展方向

    隨著現代化生產規模的不斷擴大，各行各業對電氣伺服系統的需求日益增加，并對其性能提出了更高的要求。例如，要求伺服系統要有良好的位置控制能力；較快的動態響應能力；較高的加、減速能力；要有比較寬的調速范圍，并能夠頻繁起動、制動和正反轉切換，使其在全速度范圍內能夠平穩運行。為此，目前的伺服驅動系統已由20世紀50年代～60年代的直流伺服系統逐漸轉變成交流伺服驅動系統；并且精密的交流伺服系統已由開環控制變成閉環控制，其控制系統框圖如圖l所示。

圖1中，位置環(又稱位置反饋)的作用是產生電動機的速度指令并使電動機準確定位。通過給定的目標位置與電動機的實際位置相比較，利用其偏差通過位置控制器來產生電動機的速度指令，當電動機開始起動后(大偏差區域)，應產生****速度指令，使電動機加速并以****的速度恒速運行；在小偏差區域，產生逐次遞減的速度指令，使電動機減速運行直到最終定位。速度環的作用是保證電動機的轉速與指令值相一致，消除負載轉矩擾動等因素對電動機轉速的影響。速度指令與反饋給電動機的實際轉速相比較，其差值通過速度控制器產生相應的電流參考信號的幅值，這個電流參考信號中的幅值與通過磁極位置檢測獲得的電流參考信號的相位相乘，即可獲得完整的電流參考信號(通常使電流參考信號與反電動勢同相位)，該信號控制電動機的加速、減速或勻速運行，從而使電動機的實際轉速與指令值保持一致。電流環是由電流控制器和功率變換器構成，其作用是使電動機繞組中的電流實時、準確地跟蹤電流參考信號。

    隨著大功率晶閘管的出現，以及計算機控制技術和自動化技術的不斷發展，國外大多數采用全數字交流伺服系統，其系統示意框圖如圖2所示。

圖中：apr為位置檢測控制器；asr為速度控制器；acr為電流控制器；igbt為絕緣柵雙極晶體管；pmsm為交流永磁同步電動機；dsp為數字信號微處理器。

    全數字交流伺服系統的特點如下：

    (1)它具有較高的動靜態特性。在檢測靈敏度、時間溫度漂移、噪聲及外部干擾等方面都優于混合式交流伺服系統。

    (2)數字交流伺服系統的控制凋節環全部軟件化，很方便引用經典和現代控制理論中的許多控