現(xiàn)代永磁電動機及交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用

    孫運旺

    (臺州學(xué)院，浙江臺州31700o)

    摘要：較詳細(xì)介紹r現(xiàn)代永磁電動機及伺服系統(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。

    關(guān)鍵詞：永磁l司步電動機；交流伺服系統(tǒng)；數(shù)字控制；綜述

o引  言

    現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)和裝備涉及到多個學(xué)科領(lǐng)域，系統(tǒng)中的計算機柏當(dāng)于人的大腦，負(fù)責(zé)對所有的信息進行數(shù)值計算、邏輯推理、決策和判斷，并發(fā)出控制指令。而自動化裝備執(zhí)行計算機發(fā)出的運動命令，需要現(xiàn)代永磁電動機和機電機構(gòu)等來完成。接受控制命令，對控制信號運算操作，提高執(zhí)行能力，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動，完成特定任務(wù)，這樣的系統(tǒng)需要電氣、氣動、液壓和機械等裝置；接受控制命令，產(chǎn)生動力，驅(qū)動機構(gòu)完成特定的運動，這就是伺服系統(tǒng)的任務(wù)。為此，現(xiàn)代永磁電動機和交流伺服系統(tǒng)是工廠自動化、生產(chǎn)自動化不可缺少的基本的現(xiàn)代技術(shù)裝備。

1現(xiàn)代永磁電動機的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

    當(dāng)前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及軍事工業(yè)上常使用的電動機有二三類：直流電動機、交流電動機及特種電動機。由于各種電動機的特性不同，對驅(qū)動伺服系統(tǒng)特性要求也不同。目前，永磁電動機發(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，還是無功損耗方面都優(yōu)于大量使用的交流電動機，可以說現(xiàn)代永磁電動機足一種節(jié)能降耗的機械產(chǎn)品。

    目前，現(xiàn)代永磁同步電動機單機容量已經(jīng)超過1000 kw，****轉(zhuǎn)速已超過300000 r／min，****轉(zhuǎn)速低至1.01r／min，最小永磁電機的外徑只有0.8mm，長度僅l.2 mm。

    我國已經(jīng)研制成功1 025 kw、2p=4極的永磁同步電動機，并且應(yīng)用在煉鋼廠的風(fēng)機、水泵的驅(qū)動中，收到了可觀的節(jié)能效果。

    除此之外，永磁直流電動機、永磁直線電動機、永磁步進電動機、永磁伺服電動機、永磁電動執(zhí)行器等現(xiàn)代永磁電動機及其執(zhí)行機構(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)模的不斷擴大，各行各業(yè)對電氣伺服系統(tǒng)的需求日益增加，并對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、制動和正反轉(zhuǎn)切換，使其在全速度范圍內(nèi)能夠平穩(wěn)運行。為此，目前的伺服驅(qū)動系統(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)動系統(tǒng)；并且精密的交流伺服系統(tǒng)已由開環(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)(又稱位置反饋)的作用是產(chǎn)生電動機的速度指令并使電動機準(zhǔn)確定位。通過給定的目標(biāo)位置與電動機的實際位置相比較，利用其偏差通過位置控制器來產(chǎn)生電動機的速度指令，當(dāng)電動機開始起動后(大偏差區(qū)域)，應(yīng)產(chǎn)生****速度指令，使電動機加速并以****的速度恒速運行；在小偏差區(qū)域，產(chǎn)生逐次遞減的速度指令，使電動機減速運行直到最終定位。速度環(huán)的作用是保證電動機的轉(zhuǎn)速與指令值相一致，消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動等因素對電動機轉(zhuǎn)速的影響。速度指令與反饋給電動機的實際轉(zhuǎn)速相比較，其差值通過速度控制器產(chǎn)生相應(yīng)的電流參考信號的幅值，這個電流參考信號中的幅值與通過磁極位置檢測獲得的電流參考信號的相位相乘，即可獲得完整的電流參考信號(通常使電流參考信號與反電動勢同相位)，該信號控制電動機的加速、減速或勻速運行，從而使電動機的實際轉(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，其作用是使電動機繞組中的電流實時、準(zhǔn)確地跟蹤電流參考信號。

    隨著大功率晶閘管的出現(xiàn)，以及計算機控制技術(shù)和自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，國外大多數(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機；dsp為數(shù)字信號微處理器。

    全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的特點如下：

    (1)它具有較高的動靜態(tài)特性。在檢測靈敏度、時間溫度漂移、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