交流伺服驱动技术及其发展趋势

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1、交流伺服驱动技术及其发展趋势陈阳生1，杨浩东1，陶志鹏2浙{工大学，浙江杭州310027：2杭州英迈克电子有限公司，浙江杭州310027)0引言近年来随着永磁材料、功率半导体、微处理器以及计算机技术的进步，永磁交流伺服电机和交流伺服驱动器得到了飞速的发展，从最初的实验室研究到现在已经广泛的应用到社会生活的各个领域。由于伺服驱动系统比其它驱动系统具有一系列独特的优点，如功率密度高、动态响应快、低速力矩大、调速范围宽、精度高、可靠性好、效率高等，在高精度数控加工设备、纺织机械等领域得到了广泛应用，基本取代了传统的

2、直流伺服和步进驱动等传统驱动设备。在现代数控装备中，交流伺服驱动系统是装备中的最终执行部件．装备的高精度机械运动和操作也是由交流伺服电机及其驱动系统来完成，其性能的好坏直接决定了整套装备的性能，是现代数控装备中的核心部件之一。交流伺服系统是一个典型的机电一体化产品，由伺服电机本体和伺服驱动器两部分组成。伺服电机目前一般都采用稀土永磁材料励磁，由于水磁材料磁性能的不断提高，伺服电机向着高功率密度、高效率和高精度方向发展：伺服驱动器不断向着高集成度、智能化和网络化的方向发展。国内在伺服系统方面的研究工作起步较晚，

3、总体的开发和研究水平还相对较低，国内伺服驱动产品以中低端为主，高档伺服驱动产品基本仍是空白．整体的技术水平不高，在系统的自适应性、可靠性等方面和国外产品有明显的差距。我国在伺服驱动方面的严重不足和落后，已经严重地抑制了我国数控机床的技术进步和产品性能的提升，也成为了我国发展各类高档数控机床的重要技术瓶颈之一。2009年国家启动的“高档数控系统”专项，也将伺服驱动系统作为关键技术进行攻关研究。永磁交流伺服电机技术水磁交流伺服电机，简称伺服电机．是一种永磁同步电机，一般由机壳、定子、转子和位置反馈装置(如光电编码

4、器)等组成，如图1所示。定子由冲片和绕组组成，和异步电机相似，但交流伺服电机的极数和定转子齿槽配合与普通三相异步有较大差别，一般极数较高。伺服电机转子是水磁转子，般采用稀土永磁材料，如钕铁硼、钐钴等。伺服电机的性能将直接影响伺服系统，乃至整套设备的性能。为了减小伺服电机体积和重量，提高系统出圉1伺服电机组成力和加速性能，高功率密度的交流伺服电机的设计和制造技术是伺服系统的主要研究和发展方向。伺服电机作为～种永磁电机，经过多年的发展和改进．其设计和制造技术已经相对成熟。为了进一步提高伺服电机的各种性能，同时减小

5、电机的成本，需要从电磁和机械设计、定子和转子的设汁制造技术、电机损耗和散热技术等多方面入手．采取多种技术手段，来进一步提高伺服电机的功率密度和整体性能。11电机设计技术高性能伺服电机的设计和制造技术，是伺服驱动技术的关键之一。目前国内一般都采用传统的磁路分析法来设计伺服电机。对于高性能的交流伺服电机，由于其要求高，而磁场分布、发热、受力等情况又较为复杂，如采用传统的磁路的方法柬设计，一般误差很大，很难设计出满足性能指标要求的屯机，也不能对电机的齿槽力矩、力矩波动、电感变化、磁路饱和等做很细致精确的分析。目前比

6、较先进的设计疗法是以_二维有限元为主，结合三维有限元，对电机的整体、局部进行优化设计，对电机各部分电磁负荷、损耗、出力、主漏磁通、损耗等进行详细分析，保证电机各项性能参数都可以达到期望值。由于整体采用了有限元法，可使得设计精度得到保证。图2是经有限元优化设计后的电机磁通密度分布图，其磁通密度以颜色表示，绿色表示没有磁场分布，而黄色表示该处的磁通密度超过了l8T，铁心开始饱和。交流伺服电机与伺服控制器的匹配好坏，将直接影响到系统的精度和性能。因此，从系统的角度研究电机和驱动器的优化技术，可以最大限度的优化系统成

7、本，同时提高系统性能，如在电机弱磁控制方面，只有电机本体有很好的弱磁性能佳弱磁控制。司巳图2二维和三维有限元计算的电机磁密分布图并且控制器具有弱磁控制的功能，才能实现系统的最在大功率伺服电机和高速伺服电机中．随着转予外径和转速的提高，磁钢所受到的离心力迅速提高，如何在兼顾电机电磁性能的情况下，设计出坚固的转子，防止磁钢飞出，则是电机设计的另一个难题。对于这一类的电机的设计．需要进行机械有限元分析，以对电机内部的应力和机械强度进行校核。当前市场上用于设计和优化电机结构和性能的商业有限元软件不断成熟，这些软件可以

8、对电机的电磁性能、机械性能进行多物理场耦合计算和仿真，这使得设计更高功率密度的伺服电机成为可能。12定子技术伺服电机的定子结构大致与普通异步电机相同，但在定于绕组的设计上则有很大的不同。在大功率伺服电机中，定子绕组结构的设计．尤其是齿槽配合，必须考虑到电机的出力，电机的齿槽力矩和力矩波动等。在传统的伺服电机设计中，一般采用的是整距分布绕组，如18槽6极，24槽4极等，这种绕组的普遍特征是绕组的绕组系