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交流伺服系统国内外发展概况
发布人: 中科德润 发布来源: 中科德润 发布日期: 2012-11-27 点击数:350

随着电机理论、永磁材料、电力电子技术、控制理论和计算机技术的发展,交流伺服系统的研究和应用,自20世纪70年代末以来,取得了举世瞩目的进展,已具备有宽调速范围、高稳速精度、快动态响应等良好的技术性能,“交流伺服取代直流伺服”这一愿望正逐渐变为现实,并不断有新的研究成果和新产品出现。

近十年来,国内外日益完善的交流伺服系统不断涌现,性能指标不断提高,应用范围不断扩大。纵观目前国内市场现状,国外知名品牌的交流伺服系统仍占据了国内绝大多数中、高端应用领域,而国内成熟产品主要应用在中、低端设备领域中,如简易数控机床、服装加工机械、包装机械等等,究其原因是国外知名品牌的产品具有较明显的技术优势。例如,代表目前交流伺服系统世界先进水平的三菱公司MR系列交流伺服单元具有以下技术优势:

(1)采用内含数字信号处理器的高性能CPU,其运算速度极快,电动机速度的频率响应达到550Hz以上,非常适合于高速定位的场合。

(2)采用17位(131072P/rev)的高分辨率编码器和先进的控制策略,大大降低电动机的速度波动率,其技术指标达到负载力矩波动从0~100%变化时,电机速度波动率≤0.01%,从而可以满足精密数控机床等设备的需求。

(3)智能化的控制确保电动机在各种工况如加、减速转矩较小或摩擦力较大时均能自动调整到最佳运行状态,并能实时检测系统带负载的机械振动频率,进而消弱系统机械振动。

(4)先进的上位机支撑软件,通过上位机与伺服系统的串行通讯接口,能自动对伺服电机加振,并能分析出机械系统的频率,从而对包括机械系统在内的伺服单元调整到最佳工作状态。

(5)完善的系列化产品,便于各类用户选择。高端产品离不开日益发展的高新技术的支撑。

 

综合国内外交流伺服系统发展与现状,可以清楚地看出其发展趋势,主要表现在以下几个方面:

 

(一)永磁化

交流伺服系统主要有永磁同步电动机交流伺服系统和异步电动机交流伺服系统两大类。异步电动机交流伺服系统具有电机结构坚固、制造容易、价格低廉、弱磁调速易于实现等优点,但与永磁同步电动机交流伺服系统相比存在着效率低、功率因数低、低速力矩小、转子发热严重等问题。而随着永磁材料性价比的不断提高,永磁同步电机结构的优化设计和新的控制策略的发展,其耐高温、耐振动、可弱磁调速的性能不断提高。最典型的应用就是电动汽车和高性能电梯曳引机已逐步引进永磁同步电动机交流伺服系统,其性能与异步交流伺服系统相比有明显提高。

 

(二)数字化

交流伺服系统控制单元经历了模拟式、混合式、全数字化逐步演变进步的过程,各类新型高速微处理器和电机专用DSP的出现,为伺服控制单元实现包括位置环、速度环、电流环的全数字化控制奠定了坚实的物资基础,从而将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制,不仅大大简化了伺服系统的结构,提高了运行可靠性,而且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、神经网络等成为可能,从而促使交流伺服系统的控制性能进一步提高。

(三)集成化

一方面永磁材料磁能积不断提高,永磁同步电动机的体积重量明显下降;另一方面电力电子技术的发展,一大批新型功率器件应用到交流伺服控制单元中,最典型的是智能功率模块IPM的应用,不仅使主电路更加紧凑,而且大大简化了伺服系统的驱动、保护环节。新型电子器件的不断涌现,促进了伺服单元的高度集成化。例如,采用线性光耦实现电机电流采样比霍尔零磁通电流传感器具有更小的体积和重量,现已成功应用于交流伺服系统产品中。

(四)网络化

在国外,以工业局域网技术为基础的工厂自动化工程技术近十几年来取得了长足的发展,并显示出良好的发展势头。最新的伺服系统都配置了标准的串行通讯接口如RS-232C、RS-422接口等和专用的局域网接口,显著增强了伺服单元与其他设备间的互联能力。以CNC系统为例,只需一根电缆或光缆,就可以将数台甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成整个数控加工系统。现场总线通讯方式如CAN、SERCOS总线等已出现在交流伺服系统中,进一步加快了各设备之间的通讯速率与可靠性。值得注意的是,近年来进口交流伺服系统都匹配了完善的串行通讯接口和运行软件,而国内交流伺服产品尚存在较大差距。

 

交流伺服系统发展日新月异,但目前尚缺乏国产化高端产品。新材料、新器件、新技术不断涌现,高、精、尖伺服系统的需求日益扩大,为我国高端交流伺服系统产品化提供了发展空间,只要我们抓住机遇,不懈努力,可以预见在不久的将来,国产化高端交流伺服系统产品必将在高性能要求的伺服驱动领域精密数控机床、特殊加工机械、航天航空设备等和中、大功率伺服驱动领域中占有重要的一席之地。
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