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交流永磁同步伺服系统研究的背景

华运工控网(www.ic571.com)   发表时间:2010-09-02

近年来,随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电机控制理论的发展,交流伺服控制技术有了长足的进步,交流伺服系统逐步取代直流伺服系统已成定局。借助于计算机技术、现代控制理论的发展,人们有可能构成高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。因此,近年来,世界各国在高精度速度和位置控制场合,都已经由交流电力传动取代电液和直流传动[在交流伺服传动领域中,伺服系统有三种构成形式,其执行元件分别是:感应电动机、无刷直流电动机和三相永磁同步电动机,所构成的伺服系统除以上执行元件外还有:变频装置(整流器和逆变器)、控制系统。这三种伺服驱动系统,其逆变器和控制器的功能几乎相同,虽说感应电机矢量控制技术比永磁交流伺服电机的控制复杂些,但由于控制器件价格的下降,其控制器成本相差不大。由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转矩电流比高、转动惯量低、易于散热及维护保养等优点,特别是随着永磁材料价格的下降、材料磁性能的提高,以及新型永磁材料的出现,在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中,永磁同步电机引起了众多研究与开发人员的青睐,其应用领域逐步推广,尤其在航空、航天、数控机床、加工中心、机器人等场合已获得广泛的应用。

 

在众多伺服传动应用领域中,各种控制指令由计算机发出后,其动作的实现均由伺服系统来完成。如由计算机数控系统、进给伺服驱动系统和主轴驱动系统组成的数控机床,根据数控系统发出的命令,伺服系统准确而快速地完成各坐标轴的进给驱动,与主轴驱动配合,实现对工件的高精度加工,驱动系统的性能对零件加工精度和工件加工效率都有重要的影响。一个多功能的高性能数控系统只有配置与之相适应的高性能进给伺服系统,才能使整个数控机床的性能得以正常发挥。再如自动火炮系统,当雷达发现目标后,计算机发出跟踪指令,伺服驱动系统按照其得到的控制指令,快速驱动炮塔,指向目标,实施攻击。因此,研究和开发高性能的伺服系统,是现代伺服传动应用的关键。

  

用在位置伺服系统领域的永磁无刷同步电机,按照电枢绕组所流过的电流波形分类,有两种工作方式。一种是永磁无刷直流电动机(BDCM),其绕组中流过方波或梯形波电流,具有与传统直流电机相媲美的优良调速控制性能,并且无需机械换向器与电刷,电机和变频器及其控制比较简单,成本较低另一种是交流永磁同步电机(PMSM),其绕组中流过正弦交流电流。由PMSM构成的伺服系统其性能要好一些,但控制要复杂一些。这两种形式的伺服系统在数控系统中均有应用,但是在高精度、宽调速范围的伺服驱动应用中,交流永磁同步电机所构成的伺服驱动器正在发挥着重要的作用。伴随着新材料、机电一体化、电力电子、计算机、控制理论等高新技术的发展,永磁同步电机数字控制的交流伺服系统将会开拓更为广泛的应用领域,能够实现高速、高精度、高稳定度、快速响应、高效节能的运动控制。