永磁交流伺服系统国内外发展概况

    黄声华，吴芳

(华中科技大学，湖北武汉430074)

    摘要：永磁交流伺服系统发展日新月异，对近十年来国内外永磁交流伺服系统的研究成果作一综述。在分析永磁交流伺服系统发展趋势的基础上，重点介绍了永磁交流伺服系统控制策略、位置检测和辨识、主电路和驱动技术以及通讯网络化技术等关键技术的研究现状，指出了目前国内永磁交流伺服系统产品的研发方向及其与发达国家的差距。

    关键词：永磁交流伺服；发展概况；控制策略；位置检测；驱动技术

    中图分类号：T~M359．4    文献标识码：A    文章编号：1004-7018(2008)05—0052-115

0引  言

    随着电机理论、永磁材料、电力电子技术、控制理论和计算机技术的惊人发展，交流伺服系统的研究和应用，自20世纪70年代末以来，取得了举世瞩目的进展，已具备有宽调速范围、高稳速精度、快动态响应及四象限运行等良好的技术性能，其动、静态特性已完全可以与直流伺服系统相媲美。多年来，“交流取代直流伺服”这一愿望正逐渐变为现实，并不断有新的研究成果和新产品出现。

    近十年来，国内外日益完善的永磁交流伺服系统不断涌现，性能指标不断提高，应用范围不断扩大。纵观目前国内市场现状，国外知名品牌的永磁交流伺服系统仍占据了国内绝大多数中、高端应用领域，而国内成熟产品主要应用在中、低端设备领域中，如简易数控机床、服装加工机械、包装机械等等，究其原因是国外知名品牌的产品具有较明显的技术优势。例如代表目前永磁交流伺服系统世界先进水平的三菱公司推出的MR系列交流伺服单元具有以下技术优势：

    (1)采用内含数字信号处理器的高性能cPu，其运算速度极快，永磁电机速度的频率响应达到550 Hz以上，非常适合于高速定位的场合。

    (2)采用17位(131 072 P／rev)的高分辨率编码器和先进的控制策略，大大降低永磁电机的速度波动率，其技术指标达到负载力矩波动从0～100变化时，电机速度波动率≤百分之O．01，从而可以满足精密数控机床等设备的需求。

    (3)智能化的控制确保电机在各种工况(如加、减速转矩较小或摩擦力较大时)均能自动调整到****运行状态，并能实时检测系统带负载的机械振动频率，进而消弱系统机械振动。

    (4)先进的上位机支撑软件，通过上位机与伺服系统的串行通讯接口，能自动对伺服电机加振，并能分析出机械系统的频率，从而对包括机械系统在内的伺服单元调整到****工作状态。

    (5)完善的系列化产品，便于各类用户选择。高端产品离不开日益发展的高新技术的支撑。为此，本文将对交流伺服系统的发展趋势和关键技术作一综述。

1交流伺服系统发展趋势

    综合国内外交流伺服系统发展与现状，可以清楚地看出其发展趋势，主要表现在以下几个方面：(1)永磁化交流伺服系统主要有永磁同步电动机交流伺服系统和异步电动机交流伺服系统两大类。异步电动机交流伺服系统具有电机结构坚固、制造容易、价格低廉、弱磁调速易于实现等优点，但与永磁同步电动机交流伺服系统相比存在着效率低、功率因数低、低

速力矩小、转子发热严重等问题。而随着永磁材料性价比的不断提高，永磁同步电动机结构的优化设计和新的控制策略的发展，其耐高温、耐振动、可弱磁调速的性能不断提高。最典型的应用就是电动汽车和高性能电梯曳引机已逐步引进永磁同步电动机交流伺服系统，其性能与异步交流伺服系统相比有明显提高。

    (2)全数字化和控制智能化

    交流伺服系统控制单元经历了模拟式、混合式、全数字化逐步演变进步的过程，各类新型高速微处理器和电机专用DsP的出现，为伺服控制单元实现包括位置环、速度环、电流环的全数字化控制奠定了坚实的物资基础，从而将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，不仅大大简化了伺服系统的结构，提高了运行可靠性，而且在伺服系统中应用现代控

制理论的先进算法(如：****控制、人工智能、模糊控制、神经网络等)成为可能，从而促使交流伺服系统的控制性能进一步提高。

  (3)高度集成化

  一方面永磁材料磁能积不断提高，永磁同步电动机的体积重量明显下降；另一方面电力电子技术的发展，一大批新型功率器件应用到交流伺服控制单元中，最典型的是IGBT智能模块(I