現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)及交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用
孫運(yùn)旺
(臺(tái)州學(xué)院，浙江臺(tái)州31700o)
摘要：較詳細(xì)介紹r現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)及伺服系統(tǒng)當(dāng)前的發(fā)展和應(yīng)用情況，并著重介紹了幾種典型的應(yīng)用及今后發(fā)展的趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：永磁l司步電動(dòng)機(jī)；交流伺服系統(tǒng)；數(shù)字控制；綜述
o引 言
現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)和裝備涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)柏當(dāng)于人的大腦，負(fù)責(zé)對(duì)所有的信息進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、邏輯推理、決策和判斷，并發(fā)出控制指令。而自動(dòng)化裝備執(zhí)行計(jì)算機(jī)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)命令，需要現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)和機(jī)電機(jī)構(gòu)等來(lái)完成。接受控制命令，對(duì)控制信號(hào)運(yùn)算操作，提高執(zhí)行能力，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，完成特定任務(wù)，這樣的系統(tǒng)需要電氣、氣動(dòng)、液壓和機(jī)械等裝置；接受控制命令，產(chǎn)生動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成特定的運(yùn)動(dòng)，這就是伺服系統(tǒng)的任務(wù)。為此，現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)和交流伺服系統(tǒng)是工廠自動(dòng)化、生產(chǎn)自動(dòng)化不可缺少的基本的現(xiàn)代技術(shù)裝備。
1現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)
當(dāng)前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及軍事工業(yè)上常使用的電動(dòng)機(jī)有二三類(lèi)：直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)及特種電動(dòng)機(jī)。由于各種電動(dòng)機(jī)的特性不同，對(duì)驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)特性要求也不同。目前，永磁電動(dòng)機(jī)發(fā)展很快，它具有功率密度高、效率高、轉(zhuǎn)矩大，并且功率因數(shù)也較高。為此，它不論在有功消耗，還是無(wú)功損耗方面都優(yōu)于大量使用的交流電動(dòng)機(jī)，可以說(shuō)現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)足一種節(jié)能降耗的機(jī)械產(chǎn)品。
目前，現(xiàn)代永磁同步電動(dòng)機(jī)單機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)1000 kw，****轉(zhuǎn)速已超過(guò)300000 r／min，****轉(zhuǎn)速低至1.01r／min，最小永磁電機(jī)的外徑只有0.8mm，長(zhǎng)度僅l.2 mm。
我國(guó)已經(jīng)研制成功1 025 kw、2p=4極的永磁同步電動(dòng)機(jī)，并且應(yīng)用在煉鋼廠的風(fēng)機(jī)、水泵的驅(qū)動(dòng)中，收到了可觀的節(jié)能效果。
除此之外，永磁直流電動(dòng)機(jī)、永磁直線電動(dòng)機(jī)、永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、永磁伺服電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)執(zhí)行器等現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)目前正朝著大容量、高轉(zhuǎn)速及微特型化、超低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展。
2交流伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向
隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各行各業(yè)對(duì)電氣伺服系統(tǒng)的需求日益增加，并對(duì)其性能提出了更高的要求。例如，要求伺服系統(tǒng)要有良好的位置控制能力；較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；較高的加、減速能力；要有比較寬的調(diào)速范圍，并能夠頻繁起動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)切換，使其在全速度范圍內(nèi)能夠平穩(wěn)運(yùn)行。為此，目前的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已由20世紀(jì)50年代～60年代的直流伺服系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變成交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；并且精密的交流伺服系統(tǒng)已由開(kāi)環(huán)控制變成閉環(huán)控制，其控制系統(tǒng)框圖如圖l所示。
 圖1中，位置環(huán)(又稱(chēng)位置反饋)的作用是產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)的速度指令并使電動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確定位。通過(guò)給定的目標(biāo)位置與電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置相比較，利用其偏差通過(guò)位置控制器來(lái)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)的速度指令，當(dāng)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)后(大偏差區(qū)域)，應(yīng)產(chǎn)生****速度指令，使電動(dòng)機(jī)加速并以****的速度恒速運(yùn)行；在小偏差區(qū)域，產(chǎn)生逐次遞減的速度指令，使電動(dòng)機(jī)減速運(yùn)行直到最終定位。速度環(huán)的作用是保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與指令值相一致，消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)等因素對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。速度指令與反饋給電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速相比較，其差值通過(guò)速度控制器產(chǎn)生相應(yīng)的電流參考信號(hào)的幅值，這個(gè)電流參考信號(hào)中的幅值與通過(guò)磁極位置檢測(cè)獲得的電流參考信號(hào)的相位相乘，即可獲得完整的電流參考信號(hào)(通常使電流參考信號(hào)與反電動(dòng)勢(shì)同相位)，該信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)的加速、減速或勻速運(yùn)行，從而使電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令值保持一致。電流環(huán)是由電流控制器和功率變換器構(gòu)成，其作用是使電動(dòng)機(jī)繞組中的電流實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地跟蹤電流參考信號(hào)。
隨著大功率晶閘管的出現(xiàn)，以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)外大多數(shù)采用全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，其系統(tǒng)示意框圖如圖2所示。
圖中：apr為位置檢測(cè)控制器；asr為速度控制器；acr為電流控制器；igbt為絕緣柵雙極晶體管；pmsm為交流永磁同步電動(dòng)機(jī)；dsp為數(shù)字信號(hào)微處理器。
全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：
(1)它具有較高的動(dòng)靜態(tài)特性。在檢測(cè)靈敏度、時(shí)間溫度漂移、噪聲及外部干擾等方面都優(yōu)于混合式交流伺服系統(tǒng)。
(2)數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的控制凋節(jié)環(huán)全部軟件化，很方便引用經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論中的許多控 |
