兰州伟肯变频器用户技术交流平台

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1800 年伏特发明电池，是电气出现的开端，电动机的诞生和发展在这之后可以分成几 个阶段。从1820 年一直到整个19 世纪末叶，发现了电磁现象以及相关的各种法则，诞 生了交流电机的原型，并确立了电机的工业运用。从20 世纪开始一直到1970 年代，是 电动机的成长和成熟期，有刷直流电机、感应电动机、同步电动机和步进电动机等各种 电机相继诞生，半导体驱动技术和电子控制概念引入，带来变频驱动的实用化。从1970 年代到20 世纪末期，计算技术的飞跃发展为发展高性能驱动带来了机会，随着设计、 评价、测量、控制、功率半导体、轴承、磁性材料、绝缘材料、制造加工技术的不断进 步，电动机本体经历了轻量化、小型化、高效化、高力矩输出、低噪音振、高可靠、 低成本等一系列变革，相应的驱动和控制装置也更加智能化和程序化。进入21 世纪，在以多媒体和互联网为特征的信息时代，电动机和驱动装置继续发挥支撑作用，向节约 资源、环境友好、高效节能运行的方向发展。 永磁无刷直流电机（Brushless DC Motor）就是随着永磁材料技术、半导体技术和控制 技术的发展而出现的一种新型电机。无刷直流电机诞生于20 世纪50 年代，并在60 年 代开始用于宇航事业和军事装备，80 年代以后，出现了价格较低的钕铁硼永磁，研发 重点逐步推广到工业、民用设备和消费电子产业。本质上，无刷直流电机是根据转子位 置反馈信息采用电子换相运行的交流永磁同步电机，与有刷直流电机相比具有一系列优势，近年得到了迅速发展，在许多领域的竞争中不断取代直流电机和异步电动机。进入90 年代之后，永磁电机向大功率、高功能和微型化发展，出现了单机容量超过1000KW，最高转速超过300000rpm，最低转速低于0.01rpm，最小体积只有0.8x1.2mm 的品种。 实际上，永磁无刷直流电机和本文重点论述的永磁交流伺服电机都属于交流永磁同步电 机。按照反电动势波形和驱动电流的波形，可以将永磁同步电机分为方波驱动和正弦波 驱动型，前者就是我们常说的无刷直流电机，后者又称为永磁同步交流伺服电机，主要 用于伺服控制的场合。那么，伺服是什么含义呢？伺服控制的基本性能如何衡量呢？
2． 交流伺服概念引入、基本性能和控制方法
伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括 位置、速度和力矩。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系 统包括伺服电机、反馈装置和控制器。在20 世纪60 年代，最早是直流电机作为主要执 行部件，在70 年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺 服系统的主导执行电机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和 位置等。我们通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。虽然 采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在90 年代的所谓经济型数控领域获得 广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。进入21 世纪，交流伺服系统越来越成熟，市 场呈现快速多元化发展，国内外众多品牌进入市场竞争。目前交流伺服技术已成为工业自动化的支撑性技术之一。 在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机（PMSM）和感应异步交流 伺服电机（IM），其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控 制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺 服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大 功率场合得到重视。本文讨论的重点将放在永磁同步交流伺服系统上。 交流伺服系统的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定 性等方面来衡量。低档的伺服系统调速范围在1：1000 以上，一般的在1：5000～1：10000，高性能的可以达到1：100000 以上；定位精度一般都要达到±1 个脉冲，稳速 精度，尤其是低速下的稳速精度比如给定1rpm 时，一般的在±0.1rpm 以内，高性能的 可以达到±0.01rpm 以内；动态响应方面，通常衡量的指标是系统最高响应频率，即给 定最高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90 度或者幅值不小 于50％。进口三菱伺服电机MR－J3 系列的响应频率高达900Hz，而国内主流产品的 频率在200～500Hz。运行稳定性方面，主要是指系统在电压波动、负载波动、电机参 数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰、以及其他特殊运行条件下，维持稳定运 行并保证一定的性能指标的能力。这方面国产产品、包括部分台湾产品和世界先进水平 相比差距较大。 在控制策略上，基于电机稳态数学模型的电压频率控制方法和开环磁通轨迹控制方法都 难以达到良好的伺服特性，目前普遍应用的是基于永磁电机动态解耦数学模型的矢量控 制方法，这是现代伺服系统的核心控制方法。虽然人们为了进一步提高控制特性和稳定 性，提出了反馈线性化控制、滑模变结构控制、自适应控制等理论，还有不依赖数学模 型的模糊控制和神经元网络控制方法，但是大多在矢量控制的基础上附加应用这些控制 方法。还有，高性能伺服控制必须依赖高精度的转子位置反馈，人们一直希望取消这个 环节，发展了无位置传感器技术（Sensorless Control）。至今，在商品化的产品中，采用 无位置传感器技术只能达到大约1：100 的调速比，可以用在一些低档的对位置和速度 精度要求不高的伺服控制场合中，比如单纯追求快速起停和制动的缝纫机伺服控制，这个技术的高性能化还有很长的路要走。（总机）*** 
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         施奈德电气（Schneider Electric）这次展出的Lexium 05 型伺服控制器具有和VFD 变频器一样外形，目标是低成本应用。实际上，利用变频器的批量生产能力推出低
端伺服，已经成为一些厂商的竞争手段。该公司旗下的Berger Lahr 品牌在其展台 上随处可见。其智能、集成电机与控制器产品 (Icla) 主要有以下三个电机版本：
步进电机、交流伺服电机与三相无刷直流电机。Icla（来源于“集成、闭环、执行器” 的首字母缩写）将电机、位置控制、功率电子与反馈集成在一个紧凑单元中。这种
一体化设计的思路在美国的Animatics 等公司身上也体现得很明显，来自德国的 AMK 公司也有类似的产品。这是真正的机电一体化产品，为设计者带来了一系列
的工程挑战，包括电磁兼容、热控制、元器件小型化、特殊的结构设计等。在国内， 没有见到有厂商推出自主知识产权的产品。
􀂋 包米勒（Baumuller）公司提供的带集成行星齿轮传动系的高性能伺服电机，拥有 高达98％的效率和很低的噪音；直接驱动型高力矩伺服电机，可以在100～300rpm
范围内输出13500Nm。在国内，我们看到和利时电机公司在其海豚系列低压无刷 伺服电机系列中提供了类似的带集成行星齿轮减速器的产品，深圳步进也宣称可以
提供带减速器的步进化伺服电机。在直接驱动力矩电机市场，成都精密电机厂可以 提供定制化的电机组件，但是需要客户另外加装反馈装置和第三方驱动器。
􀂋 安川电机欧洲公司（Yaskawa Electric Europe，YEE）展出了其广受欢迎的通用 Sigma II 型伺服电机。YEE 的其他进展包括正在开发中的额定功率0.5~5 kW 防爆
及遵循ATEX 标准的交流伺服电机。安川公司的另一项开发成果是输出功率高达 500 kW 的高功率伺服电机。该项目的商品化预计将于2007 年完成。从中我们可
以看到国际大厂向专用化、大型化伺服发展的动向。
2． 技术发展方向
现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比如换 相、电流、速度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能DSP 加FPGA、以及
伺服专用模块（比如IR 推出的伺服控制专用引擎）也不足为奇。国际厂商伺服产品每 5 年就会换代，新的功率器件或模块每2～2.5 年就会更新一次，新的软件算法则日新月 异，总之产品生命周期越来越短。总结国内外伺服厂家的技术路线和产品路线，结合市 场需求的变化，可以看到以下一些最新发展趋势。