交流伺服电机及驱动系统的发展与应用.docx

《交流伺服电机及驱动系统的发展与应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《交流伺服电机及驱动系统的发展与应用.docx（10页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、Abstract 简要介绍交流伺服电机及驱动系统的发展与应用。目前对同步伺服电动机的控制方法多采用自适应控制和磁场定向矢量控制。随着应用场合与控制对象的不同采用不同的控制策略。DSP控制技术的应用使现代控制理论中先进的、复杂的算法得以实现。现今，随着电机、功率器件、传感器、微电子器件及控制理论控制算法的不断发展，经历了几代的应用结合，伺服驱动装置正朝着交流化、数字化、大功率方向 关键词:交流伺服电机;驱动系统;特点;发展;应用 引言 近年来随着物流仓储设备的快速发展，有很多物流仓储设备都选用多功能工业门机作为大宗货物进出仓库的阀门。工业门机具有快速、全自动、安全、可靠、多功能等多种优点，可以高

2、效便捷的使货物进出仓库，保证仓库内的环境清洁和安全,成为先进物流仓储设备的重要组成部分。伺服驱动控制系统是80年代国际上崛起的高性能产品，具有良好的控制性能和较高的动态品质，并以调速范围广、稳速精度高、动态响应性能好、使用简便等优越性能，迅速成为伺服系统发展的必然趋势.因此研究具有必要性. 前言 伺服驱动技术作为数控机床、工业机器人及其它产业机械控制的关键技术之一，在国内外普遍受到关注。在20世纪最后10年间，微处理器（特别是数字信号处理器DSP）技术、电力电子技术、网络技术、控制技术的发展为伺服驱动技术的进一步发展奠定了良好的基础。如果说20世纪80年代是交流伺服驱动技术取代直流伺服驱动技术

3、的话，那么，20世纪90年代则是伺服驱动系统实现全数字化、智能化、网络化的10年。这一点在一些工业发达国家尤为明显。 1交流伺服电机及驱动系统概述 1.1伺服驱动系统的概述 伺服驱动系统是CNC装置和机床的联系环节。CNC装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。伺服驱动系统的作用归纳如下： 1.1.1伺服驱动系统能放大控制信号，具有输出功率的能力； 1.1.2伺服驱动系统根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。 1.2交流伺服电机及驱动系统的特点 1.2.1交流伺服电机特点 a精度：实现了位置

4、，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题； b、转速：高速性能好，一般额定转速能达到20003000转； c、适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用； d、稳定：低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合； f、及时性：电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内； e、舒适性：发热和噪音明显降低。 简单点说就是：我们平常看到的那种普通的电机，断电后它还会因为自身的惯性再转一会儿，然后停下。 而伺服电机和步进电机是说停就停，说走就走（反应极快）。但步进电机存在失步现象。 交流伺服电动

5、机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： A、起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线与普通异步电动机的转矩特性曲线相比，有明显的区别。它可使临界转差率S01，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 B、运行范围较广 C、无自转现象 正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转

6、矩特性（T1S1、T2S2曲线）以及合成转矩特性（TS曲线） 交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。 交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。 1.2.3驱动系统分类 数控机床的伺服驱动系统按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其控制原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统和闭环系统；按驱动执行元件的动作

7、原理分为电液驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。 a.进给驱动与主轴驱动 进给驱动是用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。主轴驱动控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。 b.开环控制和闭环控制 数控机床伺服驱动系统按有无位置反馈分两种基本的控制结构，即开环控制和闭环控制，如下图所

8、示。由此形成位置开环控制系统和位置闭环控制系统。闭环控制系统又可根据位置检测装置在机床上安装的位置不同，进一步分为半闭环伺服驱动控制系统和全闭环伺服驱动控制系统。若位置检测装置安装在机床的工作台上，构成的伺服驱动控制系统为全闭环控制系统；若位置检测装置安装在机床丝杠上，构成的伺服驱动控制系统则为半闭环控制系统。现代数控机床的伺服驱动多采用闭环控制系统。开环控制系统常用于经济型数控或老设备的改造。 c.直流伺服驱动与交流伺服驱动 70年代和80年代初，数控机床多采用直流伺服驱动。直流大惯量伺服电机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且，由于电机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后

9、易于调整。而直流中小惯量伺服电机及其大功率晶体管脉宽调制驱动装置，比较适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。但直流电机一个最大的特点是具有电刷和机械换向器，这限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展，使其应用受到限制。 进入80年代，在电机控制领域交流电机调速技术取得了突破性进展，交流伺服驱动系统大举进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服驱动系统的最大优点是交流电机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流电机比直流电机将更合理。 1.3交流伺服电机的分类 伺服电机是无刷电机

10、，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳交流运行的应用。 1.4交流伺服电机及驱动系统在数控机床中的地位 交流伺服电机是动力源和进给保证驱动系统是机床的大脑指挥机床各部件的移动是加工出合格产品的前提. 2交流伺服电机及驱动系统的应用 2.1交流伺服电机及驱动系统的应用 交流伺服电机只要是要有动力源的，而且对精度有要求的一般都可能涉及到伺服电机。如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备 2.2伺

11、服系统的发展趋势 作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见，随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。 （1）交流化 伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达国家，AC伺服电机的市场占有率已超过80 。国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多，正逐步超过生产DC伺服电机的厂家。可以预见

12、，在不远的将来，除了在某些微型电机领域之外，AC伺服电机将完全取代DC伺服电机。 （2）全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法（如：最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）成为可能。 （3）采用新型电力电子半导体器件 目前，伺服控制系统的输出器件多采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘门极晶体管（IGBT）等。这些先进器

13、件的应用显著降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其是，最新型的伺服控制系统已开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块（Intelligent Power Modules，简称IPM）。这种器件将输人隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块中。其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。 （4）高度集成化 新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元2个模块的做法，代之以

14、单一、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数就可改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著缩小了整个控制系统的体积，使伺服系统的安装与调试工作都得到简化。 （5）智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，其智能化特点表现在： 都具有参数记忆功能。系统的所有运行参数都可通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行

15、途中由上位计算机加以修改，应用方便； 都具有故障自诊断与分析功能。无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障类型及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性；有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。 （6）模块化和网络化 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（Factory Automation，简称FA）工程技术

16、在近lO年来得到了长足发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口（如RS一232C或RS一422接口等）和专用的局域网接口。这些接口的设置显著增强了伺服单元与其它控制设备问的互联能力，从而，与CNC系统问的连接也变得简单，只需1根电缆或光缆就可将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接为整个数控系统。也可通过串行接口与可编程控制器（PLC）的数控模块相连。 3交流伺服电机及驱动系统的发展趋势 3.1、国外现状与发展趋势 a无人化、规模化生产对加工设备提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流伺服系统具有高响应、免维护（无碳刷、换向器等磨损元部件）、

17、高可靠性等特点，正好适应了这一需求。例如，日本FANUC公司、三菱电机公司、安川电机公司、德国Siemens公司、AEG公司、力士乐Indramat公司、美国A.B公司、GE公司等均先后在1984年前后将交流伺服系统付诸实用。国内的交流伺服驱动技术起步较晚，到20世纪80年代末才有产品问世。如冶金部自动化研究院华腾公司的ACS系列、扬州5308厂引进Siemens公司的610系列，这些产品采用大功率晶体管模块（GTR），属于模拟伺服，但从技术上填补了国内空白。 b 进入20世纪s年代，微电子制造工艺的日臻完善，使得DSP运算速度呈几何数上升，达到了伺服环路高速实时控制的要求，一些运动控制芯片制

18、造商还将电机控制所必需的外围电路（如A/D转换器、位置/速度检测倍频计数器、PWM发生器等）与DSP内核集成于一体，使得伺服控制回路采样时间达到100s以内，由单一芯片实现自动加、减速控制，电子齿轮同步控制，位置、速度、电流三环的数字化补偿控制。一些新的控制算法如速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。另一方面，电力电子技术的发展，使得伺服系统主电路功率元件的开关频率由25kHz提升到1520kHz，1GBT（绝缘栅门双极性晶体管）及IPM（智能型功率模块）均是这一时代的产物，从而提高了系统的平稳性，降低了系统的噪音。以上两个方面不仅是交流伺服实现数字化的基础，而且使得交流伺服趋于

19、小型化。目前一些工业发达国家的伺服系统生产厂家基本上均能够提供全数字交流伺服系统或者可以与自己的CNC系统相配套，如日本FANUC公司、三菱电机公司、安川电机公司、松下公司、山洋电机公司、德国Siemens公司、力士乐Indramat公司、Lenze公司、美国A.B公司、Kollmorgen公司、Relliance公司、Baldor公司、PacificScientific公司等。 全数字交流伺服技术的飞速发展，使得用户根据负载状况（如惯量、间隙、摩擦力等）调整参数更为方便，也省去了一些模拟回路所产生的漂移等不稳定因素，但在发展初期，伺服接口缺乏统一标准，各个厂家均设计自己的接口电路，相互之间无

20、可互换性，用户适配较为麻烦。在网络技术及PC-basedCNC技术快速发展的情况下，这一问题尤为突出。 c在1987年，由德国机床协会和德国电力电子协会联合提出数字驱动接口国际标准，即SERCOS（SerialReal-timeCommunicationSystem串行实时通信系统）接口作为高性能运动控制系统闭环数据串行实时通信接口，这两个协会将电机、驱动系统、CNC系统的主要制造商组成一个联合工作组。最初加入SERCOS工作组的公司有AEC、ABB、AMK、Banmuller、Bosch、Indramat、Siemens、PacificScientific等几家公司。到了1994年，SERC

21、OS成为控制器与数字伺服驱动系统接口的国际标准并作为IEC61491标准获得通过，因此具有开放性，迄今成员已增加到70多个公司。与此同时，开发了相应的ASIC芯片、SERCON816，传输速度为2/4/8/16Mbit/s，SERCOS与其它串行现场总线相比，有效数据传输率高，例如Ethement以100Mbit/s速度传输数据时，有效数据传输率为510Mbit/s；SERCOS以16Mbit/s速度传输数据时，有效数据传输率为11Mbit/s。CAN（controllerAreaNetwork）用于运动控制时，必须提供额外的存储缓冲器及信号管理资源，其成本大约是SERCOS接口的2倍，另一个

22、特点是它的光纤噪声抑制能力强、传输可靠性高。虽然SERCOS接口初终是为CNC与数字伺服接口而开发，迄今已被广泛应用于通用运动控制器与数字伺服之间的接口。目前已能满足在2ms内，使一台控制器与多达32个伺服系统实现数据通信。SERCOS为数字伺服网络化铺就了一条宽阔大道，可以预见，在不远的将来，带有SERCOS接口的伺服系统将会进入家庭、办公室、工厂车间乃至各个与伺服应用相关的领域。力士乐Indramat公司在1999年之所以占据北美伺服驱动市场10.5%的份额、位居第一位，一方面是该公司在应用工程、销售、服务及用户支持方面的加强，另一个主要因素是承诺开放结构SERCOS。 d轻质（如铜、木材

23、、铝合金等）、复合材料在汽车、家电、AF业中的大量使用，对高速、高效加工提出了新的要求。为了适应这一需求，一些工业发达国家相继推出直线电机、高速主轴电机，而且付诸实用。对于直线电机而言，其控制技术与传统的交流伺服电机相差不多，但由于直线电机本身没有转子等转动体，因而本身惯量小，所以具有高动态响应性，而检测元件直接安装于机械一侧，从而检测工作台的位移，也避免了旋转电机在方向改变时所存在的换向间隙，满足了高速、高精密加工对伺服驱动系统的要求。从IMTS2000展览会来看，一些工业发达国家在高速加工技术方面处于领先水平，IBAG公司已向业界提供0.125185kW，最高转速为14,000r/min的

24、系列化高速内装式主轴系统，径向、轴向重复精度小于1?m，电机轴承有混合陶瓷轴承、液静压轴承、磁浮轴承三种，采用水管冷却，且内置位置传感器供加工中心ATC之用。主轴驱动采用矢量变频技术，已在模具加工、高精密电极加工、铝质零件加工、高精度磨削加工等领域广泛应用，Fisher公司也有类似产品。 3.2、国内现状与发展趋势 我国在20世纪80年代初期通过引进、消化、吸收国外先进技术，又在国家“七五”、“八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技项目攻关取得了很大成果。但由于产品可靠性等方面的原因，制约着我国数控机床的配套及应用，从而影响我国装备制造业的发展。一些机床厂家也不得不选用国外的伺服系统，

25、使得国产数控机床在价格、交货期、可靠性等方面均不占优势，更无心力开发市场需求的新品种，从而失去巨大的市场份额。从公开的统计资料来看，CNC系统中75%以上的故障出自伺服部分。然而，近年来在国家不断组织科技攻关的同时，一些民营高科技公司也为发展我国伺服驱动技术注入了新的活力。例如北京中宝伦自动化技术有限公司在国家没有投入一分钱的情况下，以市场为导向，不断开发新产品，1994年开发成功PDC系列直流伺服系统，扭矩从1N?m至44.1N?m共有七个规格的宽调速直流伺服电机，采用国际上最新一代的功率器件IPM、PWM控制，调制频率达到15kHz，有效地克服了以往SCR控制时电流断续所产生的换向火花对于

26、换向器的烧蚀，可使碳刷寿命延长1倍以上。1997年底该公司又开发成功PAC系列交流伺服系统，与兰州电机厂引进德国Siemens公司1FT5系列的94个规格的无刷交流伺服电机相配套。转速系列有1,200r/min、2,000r/min、3,000r/min、4,000r/min、4,500r/min、6,000r/min，扭范围0.1590N；2000年11月又根据市场需求，开发出PAC-P系列数字化位置型交流伺服系统。这些产品推向市场后，取得了很好的社会效益及经济效益，得到北京第一机床厂、清华大学精密仪器厂、青海第一机床厂等厂家认可，与XA5750滑枕铣床、XA718立式铣床、XA2412/2

27、410龙门铣床和XKA5032数控立式铣床、数控异型螺杆铣床、XKA8132/8140数控铣床等配套。除此之外，也应用于复合材料成型机械、汽车子午胎一段、二段成型及裁断机械、卫星风洞群控制、电子元件材料切割、编带等领域。目前，近200台应用于国内各大汽车子午胎生产线，每日24h连续运行。除在国内应用外，从1997年开始，该公司部分产品由北京第一机床厂配套出口到德国、加拿大、澳大利亚等国家。从1994年至今售出将近1000台套交/直流伺服系统，几年来无一台返修，根据该公司记录数字来看，只有8台均由于用户接线错误而导致保险电阻、电源回路及接口元器件烧坏。使用中宝伦产品的用户改变了对于国产伺服系统可靠性不好的看法。华中数控系统有限公司、珠峰数控公司、航天数控公司、中科院电工所等单位通过实施国家科技项目攻关，已能够向各机床制造厂配套自身数控系统所需要的伺服系统，还应用于一些老设备技术改造。洛阳轴承研究所自主研发高速电主轴，已应用于轴承磨床、印刷电路板铣、钻等方面。 结论 综上所述，伺服系统将向两个方向发展：一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等；另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。