交流伺服驅(qū)動技術(shù)及其發(fā)展趨勢
陳陽生1，楊浩東1，陶志鵬2
(1．浙江大學(xué)，浙江杭州310027；2.杭州英邁克電子有限公司，浙江杭州310027)
0引言
近年來隨著永磁材料、功率半導(dǎo)體、微處理器以及計算機技術(shù)的進步，永磁交流伺服電機和交流伺服驅(qū)動器得到了飛速的發(fā)展，從最初的實驗室研究到現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到社會生活的各個領(lǐng)域。由于伺服驅(qū)動系統(tǒng)比其它驅(qū)動系統(tǒng)具有一系列獨特的優(yōu)點，如功率密度高、動態(tài)響應(yīng)快、低速力矩大、調(diào)速范圍寬、精度高、可靠性好、效率高等，在高精度數(shù)控加工設(shè)備、紡織機械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，基本取代了傳統(tǒng)的直流伺服和步進驅(qū)動等傳統(tǒng)驅(qū)動設(shè)備。在現(xiàn)代數(shù)控裝備中，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)是裝備中的最終執(zhí)行部件，裝備的高精度機械運動和操作也是由交流伺服電機及其驅(qū)動系統(tǒng)來完成，其性能的好壞直接決定了整套裝備的性能，是現(xiàn)代數(shù)控裝備中的核心部件之一。
交流伺服系統(tǒng)是一個典型的機電一體化產(chǎn)品，由伺服電機本體和伺服驅(qū)動器兩部分組成。伺服電機目前一般都采用稀土永磁材料勵磁，由于永磁材料磁性能的不斷提高，伺服電機向著高功率密度、高效率和高精度方向發(fā)展；伺服驅(qū)動器不斷向著高集成度、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。
國內(nèi)在伺服系統(tǒng)方面的研究工作起步較晚，總體的開發(fā)和研究水平還相對較低，國內(nèi)伺服驅(qū)動產(chǎn)品以中低端為主，高檔伺服驅(qū)動產(chǎn)品基本仍是空白，整體的技術(shù)水平不高，在系統(tǒng)的自適應(yīng)性、可靠性等方面和國外產(chǎn)品有明顯的差距。我國在伺服驅(qū)動方面的嚴(yán)重不足和落后，已經(jīng)嚴(yán)重地抑制了我國數(shù)控機床的技術(shù)進步和產(chǎn)品性能的提升，也成為了我國發(fā)展各類高檔數(shù)控機床的重要技術(shù)瓶頸之一。2009年國家啟動的“高檔數(shù)控系統(tǒng)”專項，也將伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為關(guān)鍵技術(shù)進行攻關(guān)研究。
1永磁交流伺服電機技術(shù)
水磁交流伺服電機，簡稱伺服電機，是一種永磁同步電機，一般由機殼、定子、轉(zhuǎn)子和位置反饋裝置(如光電編碼器)等組成，如圖1所示。定子由沖片和繞組組成，和異步電機相似，但交流伺服電機的極數(shù)和定轉(zhuǎn)子齒槽配合與普通三相異步有較大差別，一般極數(shù)較
高。伺服電機轉(zhuǎn)子是永磁轉(zhuǎn)子，一般采用稀土永磁材料，如釹鐵硼、釤鈷等。
伺服電機的性能將直接影響伺服系統(tǒng)，乃至整套設(shè)備的性能。為了減小伺服電機體積和重量，提高系統(tǒng)出圖l伺服電機組成力和加速性能，高功率密度的交流伺服電機的設(shè)計和制造技術(shù)是伺服系統(tǒng)的主要研究和發(fā)展方向。伺服電機作為一種永磁電機，經(jīng)過多年的發(fā)展
和改進，其設(shè)計和制造技術(shù)已經(jīng)相對成熟。為了進一步提高伺服電機的各種性能，同時減小電機的成本，需要從電磁和機械設(shè)計、定子和轉(zhuǎn)子的設(shè)計制造技術(shù)、電機損耗和散熱技術(shù)等多方而入手，采取多種技術(shù)手段，來進一步提高伺服電機的功率密度和整體性能。
1.1電機設(shè)計技術(shù)
高性能伺服電機的設(shè)計和制造技術(shù)，是伺服驅(qū)動技術(shù)的關(guān)鍵之一。目前國內(nèi)般都采用傳統(tǒng)的磁路分析法來沒計伺服電機。對于高性能的交流伺服電機，由于其要求高，而磁場分布、發(fā)熱、受力等情況又較為復(fù)雜，如采tHj傳統(tǒng)的磁路的方法來設(shè)計，一般誤差很大，很難發(fā)計出滿足性能指標(biāo)要求的電機，也不能對電機的齒槽力矩、力矩波動、電感變化、磁路飽和等做很細(xì)致精確的分析。
目前比較先進的設(shè)計方法是以二維有限元為主，結(jié)合三維有限元，對電機的整體、局部進行優(yōu)化設(shè)計，對電機各部分電磁負(fù)荷、損耗、出力、主漏磁通、損耗等進行詳細(xì)分析，保證電機各項性能參數(shù)都可以達到期望值。由于整體采用了有限元法，可使得設(shè)計精度得到保證。圖2是經(jīng)有限元優(yōu)化設(shè)計后的電機磁通密度分布圖，其磁通密度以顏色表示，綠色表示沒有磁場分布，而黃色表示該處的磁通密度超過了1 8T，鐵心開始飽和。
交流伺服電機與伺服控制器的匹配好壞，將直接影響到系統(tǒng)的精度和性能。因此，從系統(tǒng)的角度研究電機和驅(qū)動器的優(yōu)化技術(shù)，可以****限度的優(yōu)化系統(tǒng)成本，同時提高系統(tǒng)性能，如在電機弱磁控制方面，只有電機本體有很好的弱磁性能,并且控制器具有弱磁控制的功能，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的****弱磁控制。
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