现代永磁电动机及交流伺服系统的发展和应用

    孙运旺

    (台州学院，浙江台州31700o)

    摘要：较详细介绍r现代永磁电动机及伺服系统当前的发展和应用情况，并着重介绍了几种典型的应用及今后发展的趋势。

    关键词：永磁l司步电动机；交流伺服系统；数字控制；综述

o引  言

    现代工业自动化技术和装备涉及到多个学科领域，系统中的计算机柏当于人的大脑，负责对所有的信息进行数值计算、逻辑推理、决策和判断，并发出控制指令。而自动化装备执行计算机发出的运动命令，需要现代永磁电动机和机电机构等来完成。接受控制命令，对控制信号运算操作，提高执行能力，驱动执行机构运动，完成特定任务，这样的系统需要电气、气动、液压和机械等装置；接受控制命令，产生动力，驱动机构完成特定的运动，这就是伺服系统的任务。为此，现代永磁电动机和交流伺服系统是工厂自动化、生产自动化不可缺少的基本的现代技术装备。

1现代永磁电动机的现状及其发展趋势

    当前工农业生产以及军事工业上常使用的电动机有二三类：直流电动机、交流电动机及特种电动机。由于各种电动机的特性不同，对驱动伺服系统特性要求也不同。目前，永磁电动机发展很快，它具有功率密度高、效率高、转矩大，并且功率因数也较高。为此，它不论在有功消耗，还是无功损耗方面都优于大量使用的交流电动机，可以说现代永磁电动机足一种节能降耗的机械产品。

    目前，现代永磁同步电动机单机容量已经超过1000 kw，****转速已超过300000 r／min，****转速低至1.01r／min，最小永磁电机的外径只有0.8mm，长度仅l.2 mm。

    我国已经研制成功1 025 kw、2p=4极的永磁同步电动机，并且应用在炼钢厂的风机、水泵的驱动中，收到了可观的节能效果。

    除此之外，永磁直流电动机、永磁直线电动机、永磁步进电动机、永磁伺服电动机、永磁电动执行器等现代永磁电动机及其执行机构目前正朝着大容量、高转速及微特型化、超低转速、大转矩方向发展。

2交流伺服系统的现状及发展方向

    随着现代化生产规模的不断扩大，各行各业对电气伺服系统的需求日益增加，并对其性能提出了更高的要求。例如，要求伺服系统要有良好的位置控制能力；较快的动态响应能力；较高的加、减速能力；要有比较宽的调速范围，并能够频繁起动、制动和正反转切换，使其在全速度范围内能够平稳运行。为此，目前的伺服驱动系统已由20世纪50年代～60年代的直流伺服系统逐渐转变成交流伺服驱动系统；并且精密的交流伺服系统已由开环控制变成闭环控制，其控制系统框图如图l所示。

图1中，位置环(又称位置反馈)的作用是产生电动机的速度指令并使电动机准确定位。通过给定的目标位置与电动机的实际位置相比较，利用其偏差通过位置控制器来产生电动机的速度指令，当电动机开始起动后(大偏差区域)，应产生****速度指令，使电动机加速并以****的速度恒速运行；在小偏差区域，产生逐次递减的速度指令，使电动机减速运行直到最终定位。速度环的作用是保证电动机的转速与指令值相一致，消除负载转矩扰动等因素对电动机转速的影响。速度指令与反馈给电动机的实际转速相比较，其差值通过速度控制器产生相应的电流参考信号的幅值，这个电流参考信号中的幅值与通过磁极位置检测获得的电流参考信号的相位相乘，即可获得完整的电流参考信号(通常使电流参考信号与反电动势同相位)，该信号控制电动机的加速、减速或匀速运行，从而使电动机的实际转速与指令值保持一致。电流环是由电流控制器和功率变换器构成，其作用是使电动机绕组中的电流实时、准确地跟踪电流参考信号。

    随着大功率晶闸管的出现，以及计算机控制技术和自动化技术的不断发展，国外大多数采用全数字交流伺服系统，其系统示意框图如图2所示。

图中：apr为位置检测控制器；asr为速度控制器；acr为电流控制器；igbt为绝缘栅双极晶体管；pmsm为交流永磁同步电动机；dsp为数字信号微处理器。

    全数字交流伺服系统的特点如下：

    (1)它具有较高的动静态特性。在检测灵敏度、时间温度漂移、噪声及外部干扰等方面都优于混合式交流伺服系统。

    (2)数字交流伺服系统的控制凋节环全部软件化，很方便引用经典和现代控制理论中的许多控