永磁交流伺服技術及其進展（續完）
譚建成 （西安微電機研究所）
（摘要）本文為永磁交流伺服技術及其進展(3)（見1991年《微電機》第1期）的續篇。介紹國外永磁伺服電動機及其伺服驅動器的主要廠商和主要系列、技術水平的比較及發展動向。文中指出，交流伺服代表了當代伺服技術的主流，在我國形成有較高水平的商品化產品并推廣應甩，是八五期間一個十分重要的課題。
（敘詞）交流伺服電動機，永磁電機，交流伺服系統，伺服放大器，比較，發展，動向
7 國外永磁交流伺服電動機及伺服驅動器的主要廠商和主要系列
世界先進工業國家****電機或控制廠商在70年代末80年代初先后開始研制自己的永磁交流伺服電動機和伺服驅動器。到&0年代中后期已有完整系列產品投放伺服市場。我們將收集到的有關資料和產品樣本整理出國外主要廠商永磁交流伺服電動機和伺服驅動器系列商品一覽表（見附表）。這些廠商原先都在直流伺服電動機和伺服驅動器方面有多年制造歷史，早為人們所熟知，隨著伺服技術世界發展潮流，都竟相轉向交流伺服的開發和生產。
日本安川電機制作所開發過各種不同結構的直流伺服電動機和驅動裝置成為曰本市場主要供應商。80年代初開始伺服電動機交流化工作。在1984年報道了該公司在1983年推出的小型交流伺服電機和控制器，其中****速度lOOOr／min、力矩0.25～2.8Nm，適用于數控機床的D系列，****轉速3000r／mm，力矩0.016～0.16Nm，適用于機器人的R系列。過了兩年又報道推出M、F、S、H四個新系列。到1988年先后報道了該公司推出新的D系列和R系列。這兩個新系列是全新設計的，由舊系列的矩形波驅動、采用8051單片改為正弦波驅動、采用80C154CPU和門陣列芯片，力矩波動由百分之24減少到百分之7，并提高了可靠性。這樣，安川電機只用了5～6年時間開發并形成了6個主要系列，共計38個規格，可以適應工作機械、搬運機構、焊接機器人、裝配機器人、電子部件加工機械、印刷機、高速卷取機、繞線機等的不同需要。
以機床數控裝置知名的日本法奴克，在70年代初還生產步進電機數控裝置，落后于西方國家，．后從美國Gettys引進了直流伺服技術，很快開發了自己的直流伺服系列，一躍成為世界上最有競爭力的廠商之一。到80年代中期也推出交流伺服電機系列，改進后，現有S系列共13個規格，透用于工作機械進給伺服，加上L系列共5個規格，它們有更小的慣量和機械時間常數，適用于要求特別快速響應的位置伺服。聲稱獨特結構的永磁轉子可獲得良好正弦波磁密分布，正在申請專利。
在日本最近10年永磁交流伺服電機和驅動技術成為技術發展熱點，除上述廠家外，還有三菱電機(HA和HA-L-系列)、東芝精機(SM系列)、大隈鐵工所(BL系列)、三洋電氣(BL系列)、立石電機S等眾多廠商進入了競爭行列。這種情況促使日本伺服市場迅速由DC轉向AC。
德國力士樂公司分部1978年在漢諾威博覽會上推出MAC系列交流伺服電動機，現有7個機座號92個規格的完整系列。
德國西門子公司IFT5系列三相交流伺服電動機分標準型和短型兩大類，共8個機座號98種規格。據稱它的交流伺服電動機與該公司相同輸出力矩的直流伺服電動機IHU系列相比，重量只有后者的一半。它配套的晶體管脈寬調制驅動器商品名最多可供6個軸的電機控制。
德國寶石公司生產有鐵氧體永磁的SD系列(17種規格)和稀土永磁的SE系列（8種規格）的交流伺服電動機和Servodyn SM系列的控制器。
美國的Gettys曾一度作電子公司一個分部生產M600系列的交流伺服電動機和A600系列伺服系統。現合并到AEG，恢復Gettys名稱，推出A700全數字化交流伺服系統。
美國A-B 公司的驅動分部生產1326型交流伺暇電動機系列和1391型交流PWM伺服控制器。電動機包括三種機座號30種規格。
I.D.是****的科爾摩根公司的工業驅動分部，生產BR- 210、BR-310、BR-510三個系列共41種規格無刷伺服電動機、BDS3型驅動器。1989年推出全新系列設計的金系列，交流伺服電動機B- 200、B-400、B-600、B-800四機座號共33種規格，全部采用釹鐵硼永磁，力矩范圍2.5～116Nm，功率范圍0.6—26.9kW，其復蓋范圍是最寬的（見附表）。可配置模擬型BDS4或數字型BDS5伺服驅動器。Goldline代表了當代永磁交流伺服****水平。
愛爾蘭的在國外的一個分部，現合并到AEGO以制造直流伺服電機、直流力矩電機及其伺服放大器、而聞名。生產BHT1100、2200、3300三種機座號共17種規格SmCo永磁交流伺服電動機，及10—60A 8種控制器。
法國集團在巴黎的工廠生產LC系列（長型）和GC系列（短型）交流伺服電動機共14種規格，及AXODYN伺服驅動器。
蘇聯為機床和杌器人伺服開發有兩個系列的交流伺服電動機。皿By系列是采用鐵氧體永磁的，兩個機座號，每個機座號有三種鐵心長，各有兩種繞組數據共12種規格，7～35Nm。2BY系列采用稀土永磁材料，6個機座號17種規格，0. 13～170Nm。配有3rIB型控制器。
8 國外永磁交流伺服電動機主要系列技術水平的比較
根據能量觀點，希望伺服電動機在指定信號作用下盡可能快地將輸入電能轉換為機械能，實現期望的機械運動，快速響應。當代常采用“功率變化率”這一綜合指標作為伺服電動機的品質因數，衡量對比各種交直流伺服電動機和步進電動機的性能。表6.1(見上期)給出的示例表明交流伺服電動機的功率變化率大大高于直流伺服電動機。
在一些廠商的電機產品數據中給出這個指標。現以這個指標對下列廠商的系列產品作一對比
此外，在圖8.2中給出了這些系列電動機重量與額定力矩關系曲線。這兩組曲線的額定力矩只取50Nm以下的產品作了對比。
圖8.1清楚地顯示出在相同輸出力矩下，按功率變化率可將對比對象分為三個層次：****的是I．D.的金系列，其次是西門子的IFT5和蘇聯的2ABY系列，而金系列的M600系列、Fanuc的S系列，安川電機M系列和A-B的1326系列較差。
圖8.2表示按相同輸出力矩對比其重量，可見，金系列、IFT5系列、2IBY系列最輕，安川的M系列、S系列和金系列M600系列較重，A-B公司的1326系列最重。
需要指出的是上述兩圖中蘇聯2aBY系到數據沒有計及測速機和傳感器的慣量，和重量。考慮到這一點，在上述對比中，2ncBY大約屬中等水平。
由上述分析可得出結論：所列舉各國主要廠商的永磁交流伺服電動機性能指標水平以美國I．D.公司的金系列為****，德國西門子的IFT5系列次之。
金系列的BDS5伺服驅動器采用16位微處理器全數字控制，代表了當代伺服控制技術方向，其主要性能優于其它系列的模擬型控制系統。
9 交流伺服技術的發展動向
綜觀永磁交流伺服技術發展的10年，它與相關技術的進步密切聯系，表現出如下明顯發展動向
a．電機永磁材料由鐵氧體永磁轉向采用釤鈷稀土永磁，近年努力發展釹鐵硼永磁電機，減少體積重量和轉子慣量，提高系統快速性；
b．正弦波驅動將成為主流；
c．伺服系統逆變器從采用雙極型大功率晶體管 GTR及其模塊，采用、MOSFET、IGBT、新型功率集成模塊Smart power module方向發展，大大方便了使用，減小系統調試，有自保護功能，提高可靠性；
d．伺服系統硬件由模擬電路向以微處理器、單片微型計算機控制為核心部分的數字一模擬混合電路方向發展。微處理器采用由8位到16位，現在32位芯片亦開始使用。新型單片數字信號處理器(DSP)被認為是90年代的運動控制處理器。它將輸入的模擬量進行數據采樣并轉換成數字形式，進行數字運算處理，最后提供模擬量輸出信號，完成數字伺服功能；
e．用軟件伺服取代大部分模擬型硬件，高速微處理器和DSP的應用，采用新的控制算法，實現非線性、變結構、自適應等新型控制，明顯提高系統的性能和增加系統功能。
伺服驅動器產品可分為模擬控制、數字控制和數字一模擬混合控制方式。
模擬控制方式的特點是
●與模擬量傳感器信號的接口容易；
●適應常見速度指令是模擬量的情況；
●運算速度快
●電流反饋、調節和PWM方便；
●模擬器件溫飄使系統對溫度變化較敏感；
●電流波形控制較困難；
●系統調整困難；
數字控制方式的特點是
●溫度變化影響小；
●系統調整容易，且重復性好；
●容男實現對電流波形的控制和相位補償；
●容易實現多功能化，多信號處理、故障診斷和保護等；
●與模擬量輸入或傳感器之間需要A／D轉換器接口。
模擬控制和數字控制各有優劣，新一代交流伺服系統實際上常見的是數字一模擬混合控制系統，而近年采用高速微處理器和DSP的全數字化系統已經出現。
圖9.1是采用8位單片微型計算機伺服驅動器的例子。它是一個數字一模擬混合控制系統。圖中，粗實線信號通道是模擬控制。采用低飄移高性能運放作速度調節器，它的輸出電流限制電路給出電流指令信號，作為帶乘法形D／4轉換器的參考信號，控制相電流指令信號的幅值。以后的電流環等全部是模擬量控制。這樣輸入的速度指令、限流指令和反饋電流信號都是模擬量。數字控制部分將光電編碼器信號經PG接口電路送入單片機，經運算，由PIO口給出數字信號。
●送至位置環的位置反饋信號；
●轉速信號，經D／彳轉換送速度調控系統，它采用了32位微處理機的全數字
●經相位計算和補償給出兩相正弦波
化交流伺服系統。除了功率放大，輸出輸入接口之外，伺服系統的位置環、速度環和電流環控制均由軟件數字信號，送給兩相的帶乘法的D／4轉換器。完成。它采用前饋控制、模型跟蹤控制和爬行補償，提高了伺服剛性、速度環和位置，此外，CPU還完成異常信號處理、故增益，速度范圍提高到1：108以上。全數故障診斷等任務。
圖9.2是包含有位置環在內的混合式交流伺服驅動器的一例。其數字控制部分包括CPU、門陣列、參數設定電路，構成位置環和速度環，以及故障保護報警。而電。流環、轉速和力矩的監視由模擬控制完成。它采用80C154單片。6600門陣列，包括輸入位置指定信號方式處理、光電編碼器反饋信號計數器接口、電流指令信號D／A轉換、基極驅動信號處理和報警信號接口等軟件控制包括下列內容
●控制參數的設定。Kp、Kv、Ki、限流和BIAS（偏置量）；
●位置環運算，前饋控制，BIAS控制；
特點，并在數控機床中表現出優異的效果
●增益線性度好。高速進給時，圓弧形狀不失真；
●各軸增益一致性好。保證正向和反向圓弧相等；
●高分辯率。指令單位達O.lm，在12m／min以上可高速高精庋運行。****插補速度達24m／min,
●高系統剛性。在切換象限時，工作表面突起減少；
●無溫度飄移。伺服再現性好；
●不必用電位器進行調整。
●位置環運算，前饋控制，BIAS控制；
10結語
●速度環運算；反電勢EMF補償，反饋速度；
●電流環指令，相位計算與補償；正弦信號形成及乘法運算；
●異常信號處理；
●動態制動信號處理
|
