交流伺服系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)

溝通伺服系統(tǒng)進(jìn)呈現(xiàn)狀及其趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)把握系統(tǒng)作為電氣自動(dòng)化的一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)。運(yùn)動(dòng)把握系統(tǒng)主要爭(zhēng)論電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)及機(jī)械設(shè)備的位移把握問(wèn)題。溝通伺服系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)把握系統(tǒng)所爭(zhēng)論的重要的一局部，而縱觀電力拖動(dòng)的進(jìn)展過(guò)程，交、直流兩種拖動(dòng)方式并存與各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域，隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)展，兩者相互競(jìng)爭(zhēng)，相互促進(jìn)。1990年以前，由于技術(shù)本錢(qián)等緣由，國(guó)內(nèi)伺服電機(jī)以直流永磁有刷電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)為主，而且主要集中在機(jī)床和工行業(yè)。1990年以后，進(jìn)口永磁溝通伺服電機(jī)系統(tǒng)逐步進(jìn)入中國(guó)，此期間得益于稀土永磁材料的進(jìn)展、電力電子及微電子技術(shù)日月異的進(jìn)步，溝通伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)也得以很快進(jìn)展。如今約占整個(gè)電力拖動(dòng)容量80%的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)都承受溝通電動(dòng)機(jī)，而只占2080來(lái)，隨著現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、把握技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等支撐技術(shù)的快速進(jìn)展，溝通伺服把握技術(shù)的進(jìn)展得以極大的邁進(jìn)，使得從前困擾著溝通伺服系統(tǒng)的電機(jī)把握簡(jiǎn)潔、調(diào)速性能差等問(wèn)題取得了突破性的進(jìn)展，溝通伺服系統(tǒng)的性能日漸提高，價(jià)格趨于合理，使得溝通伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)尤其是在高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域成了現(xiàn)代電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)進(jìn)展趨勢(shì)。一、溝通伺服系統(tǒng)的概述伺服來(lái)自英文單詞Servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)展人們所期望的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)要素包括位置、速度和力矩。伺服系統(tǒng)的進(jìn)展經(jīng)受了從液壓、氣動(dòng)到電氣的過(guò)程，而電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、反響裝置和把握器。在20世紀(jì)60年70比不斷提高，漸漸取代直流電機(jī)成為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機(jī)。把握器的功能是完成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)把握，包括力矩、速度和位置等。我們通常說(shuō)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)包括了把握器的根本功能和功率放大局部。雖然承受功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)曾經(jīng)在90年月的所謂經(jīng)濟(jì)型數(shù)控領(lǐng)域獲得廣泛使用，但是快速被溝通伺服所取代。進(jìn)入21世紀(jì)，溝通伺服系統(tǒng)越來(lái)越成熟，市場(chǎng)呈現(xiàn)快速多元化進(jìn)展，國(guó)內(nèi)外眾多品牌進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。目前溝通伺服技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化的支撐性技術(shù)之一。在溝通伺服系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型有永磁同步溝通伺服電機(jī)(PMSM)(IM)，其中，永磁同步電機(jī)具備格外優(yōu)良的低速性能、可以實(shí)現(xiàn)弱磁高速把握，調(diào)速范圍寬廣、動(dòng)態(tài)特性和效率都很高，已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的主流之選。而異步伺服電機(jī)雖然構(gòu)造結(jié)實(shí)、制造簡(jiǎn)潔、價(jià)格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率場(chǎng)合得到重視。二、溝通伺服系統(tǒng)的分類(lèi)溝通伺服系統(tǒng)依據(jù)其處理信號(hào)的方式不同，可以分為模擬式伺服、數(shù)字模擬混合式伺服和全數(shù)字式伺服;假設(shè)依據(jù)使用的伺服電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)不同，又可分為三種:一種是用永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，包括方波永磁同步電動(dòng)機(jī)(無(wú)刷直流機(jī))伺服系統(tǒng)和正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng);另一種是用鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)。二者的不同之處在于永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中需要承受磁極位置傳感器而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中含有滑差頻率計(jì)算局部。假設(shè)承受微處理器軟件實(shí)現(xiàn)伺服把握，可以使永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)和鼠籠型異步伺服電動(dòng)機(jī)使用同一套伺服放大器。所謂數(shù)字把握是指系統(tǒng)的主要局部由數(shù)字運(yùn)算元件構(gòu)成，數(shù)字把握可分二類(lèi):一類(lèi)為硬件方式，即數(shù)字元件的工作不用軟件而僅用硬件。它包括數(shù)字電路硬件把握、專(zhuān)用集成電路(asic)和超大規(guī)模集成電路硬件把握;另一類(lèi)為軟件方式，即數(shù)字元件通過(guò)軟件進(jìn)展工作。三、溝通伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)溝通伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可以從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動(dòng)態(tài)響1:10001:100000到達(dá)±1個(gè)脈沖，穩(wěn)速精度，尤其是低速下的穩(wěn)速精度比方給定1rpm時(shí)，一般的在±0.1rpm以?xún)?nèi)，高性能的可以到達(dá)±0.01rpm以?xún)?nèi)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面，通常衡量的指標(biāo)是系統(tǒng)最高響應(yīng)頻率，即給定最高頻率的正弦速度指令，系統(tǒng)輸出速度波形的相位滯后不超過(guò)90°或者幅值不小于50％。進(jìn)口三菱伺服電機(jī)MR－J3900Hz，200～500Hz。運(yùn)行相比差距較大。伺服把握技術(shù)是打算溝通伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，是國(guó)外溝通伺服技術(shù)封鎖的主要局部。隨著國(guó)內(nèi)溝通伺服用電機(jī)等硬件技術(shù)逐步成熟，以軟形式存在于把握芯片中的伺服把握技術(shù)成為制約我國(guó)高性能溝通伺服技術(shù)及產(chǎn)品進(jìn)展的瓶頸。爭(zhēng)論具有自主學(xué)問(wèn)產(chǎn)權(quán)的高性能溝通伺服把握技術(shù)，尤其是最具應(yīng)用前景的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服把握技術(shù)，是格外必要的。四、溝通伺服系統(tǒng)的把握方法在把握策略上，基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的電壓頻率把握方法和開(kāi)環(huán)磁通軌跡把握方法都難以到達(dá)良好的伺服特性，目前普遍應(yīng)用的是基于永磁電機(jī)動(dòng)態(tài)解耦數(shù)學(xué)模型的矢量把握方法，這是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的核心把握方法。雖然人們?yōu)榱诉M(jìn)一步提高把握特性和穩(wěn)定性，提出了反響線性化把握、滑模變構(gòu)造控制、自適應(yīng)把握等理論，還有不依靠數(shù)學(xué)模型的模糊把握和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)把握方法，但是大多在矢量把握的根底上附加應(yīng)用這些把握方法。還有，高性能伺服把握必需依靠高精度的轉(zhuǎn)子位置反響，人們始終期望取消這個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)展了無(wú)位置傳感器技術(shù)。至今，在商品化的產(chǎn)品中，承受無(wú)位置傳感器技術(shù)只能到達(dá)1:100把握?qǐng)龊现?，比方單純追求快速起停和制?dòng)的縫紉機(jī)伺服把握，這個(gè)技術(shù)的高性能化還有很長(zhǎng)的路要走。溝通伺服系統(tǒng)的把握單元是整個(gè)溝通伺服系統(tǒng)的核心,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置把握、速度把握、轉(zhuǎn)矩和電流把握器。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)被廣泛應(yīng)用于溝通伺服系統(tǒng),各大公司推出的面對(duì)電機(jī)把握的專(zhuān)用DSP芯片,除具有快速的數(shù)據(jù)處理力氣外，還集成了豐富的用于電機(jī)把握的專(zhuān)用集成電路，如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時(shí)計(jì)數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速的可編RAM五、伺服系統(tǒng)在行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)代溝通伺服系統(tǒng)最早被應(yīng)用到宇航和軍事領(lǐng)域，比方火炮、雷達(dá)把握。漸漸進(jìn)入到工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。工業(yè)應(yīng)用主要包括高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人和其他廣義的數(shù)控機(jī)械，比方紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體設(shè)備、郵政機(jī)械、冶金機(jī)械、自動(dòng)化流水線、各種專(zhuān)用設(shè)備等。在數(shù)控機(jī)床中使用永磁無(wú)刷伺服電機(jī)代替步進(jìn)電機(jī)做進(jìn)給已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)，局部高端產(chǎn)品開(kāi)頭承受永磁溝通直線伺服系統(tǒng)。在主軸傳動(dòng)中承受高速永磁溝通伺服取代異步變頻驅(qū)動(dòng)來(lái)提高效率和速度也成為熱點(diǎn)。90年月以來(lái)，歐、美、日各國(guó)爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)應(yīng)用一代高速數(shù)控機(jī)床，高速電主軸單元轉(zhuǎn)數(shù)在30000rpm～100000rpm，工作臺(tái)的進(jìn)給速度在區(qū)分率為1μm時(shí)到達(dá)100m/min200m/min0.1μs24m/min高速、高精、高動(dòng)態(tài)、高剛性的特點(diǎn)，對(duì)位置系統(tǒng)的要求包括:定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度；定位精度和輪廓切削精度；精加工的外表粗糙度；在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求的滿足主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。我們已經(jīng)看到國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)比方廣數(shù)的產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上的廣泛應(yīng)用，但是在中高檔數(shù)控機(jī)床上承受?chē)?guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)照舊面臨困難，性能是一個(gè)重要方面，還有就是穩(wěn)定性和牢靠性，或許品牌效應(yīng)也是難以短時(shí)間逾越的障礙。六、溝通伺服系統(tǒng)的進(jìn)展方向現(xiàn)代溝通伺服系統(tǒng)，經(jīng)受了從模擬到數(shù)字化的轉(zhuǎn)變，數(shù)字把握環(huán)已經(jīng)無(wú)處不在，比方換相、電流、速度和位置把握；承受型功率半導(dǎo)體器件、高性能DSPFPGAIR推出的伺服把握專(zhuān)用引擎)也缺乏為2～2.5更一次，的軟件算法則日月異，總之產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線，結(jié)合市場(chǎng)需求的變化，可以看到以下一些最進(jìn)展趨勢(shì)。其一，服電機(jī)自身是具有確定的非線性、強(qiáng)耦合性準(zhǔn)時(shí)變性的“系統(tǒng)”，同時(shí)伺服對(duì)象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)受到不同程度的干擾，因此按常規(guī)把握策略很難滿足高性能伺服系統(tǒng)的把握要求。為此，如何結(jié)合把握理論的進(jìn)展，引進(jìn)一些先進(jìn)的“復(fù)合型把握策略”以改進(jìn)“把握器”性能是當(dāng)前進(jìn)展高性能溝通伺服系統(tǒng)的一個(gè)主要“突破口”。其二，電動(dòng)機(jī)、反響、把握、驅(qū)動(dòng)、通訊的縱向一體化成為當(dāng)前小功率伺服系統(tǒng)的一個(gè)進(jìn)展方向。有時(shí)我們稱(chēng)這種集成了驅(qū)動(dòng)和通訊的電機(jī)叫智能化電機(jī)(SmartMotor)，有時(shí)我們把集成了運(yùn)動(dòng)把握和通訊的驅(qū)動(dòng)器叫智能化伺服驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)、驅(qū)動(dòng)和把握的集成使三者從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)行、維護(hù)都更嚴(yán)密地挑戰(zhàn)，因此很難成為主流，在整個(gè)伺服市場(chǎng)中是一個(gè)很小的有特色的局部。其三，實(shí)現(xiàn)其通用化通用型驅(qū)動(dòng)器配置有大量的參數(shù)和豐富的菜單功能，V/F環(huán)矢量把握、閉環(huán)磁通矢量把握、永磁無(wú)刷溝通伺服電動(dòng)機(jī)把握及再生單元等五種工作方式，適用于各種場(chǎng)合，可以驅(qū)動(dòng)不同類(lèi)型的電機(jī)，比方異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，也可以適應(yīng)不同的傳感器類(lèi)型甚至無(wú)位置傳感器?？梢允褂秒姍C(jī)本身配置的反響構(gòu)成半閉環(huán)把握系統(tǒng)，也可以通過(guò)接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度全閉環(huán)把握系統(tǒng)。其四，實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)化和模塊化，隨著機(jī)器安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷進(jìn)展，傳統(tǒng)的故障診斷和保護(hù)技術(shù)〔問(wèn)題發(fā)生的時(shí)候推斷