現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)技術(shù)動(dòng)向與應(yīng)用趨勢(shì)

1、現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)技術(shù)動(dòng)向與應(yīng)用趨勢(shì)技術(shù)分類：電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制 標(biāo)簽：交流伺服系統(tǒng)技術(shù)動(dòng)向2013-05-20眾所周知，以永磁無刷交流伺服電機(jī)和交流伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系 統(tǒng)的核心，成為各類高技術(shù)智能化裝備的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性部件。tee眾所周知，以永磁無刷交流伺服電機(jī)和交流伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)成為 現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，成為各類高技術(shù)智能化裝備的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性部件。壯界主要發(fā) 達(dá)國(guó)家均行一批出色的交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品公司，他們推出的產(chǎn)品不斷刷新著性能和功能性標(biāo) 桿，并在長(zhǎng)期的研發(fā)應(yīng)用實(shí)踐中形成了各自的特色和風(fēng)格?？偟膩碚f，軟件、電子、通信和 半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展

2、宜接推動(dòng)了交流伺服系統(tǒng)的換代，導(dǎo)致新產(chǎn)品換代周期從本世紀(jì)初時(shí) 的5年左右縮短到23年。本文試圖站在系統(tǒng)的角度，但更多從驅(qū)動(dòng)器的角度，對(duì)現(xiàn)代交 流伺服系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)動(dòng)向和應(yīng)用趨勢(shì)做簡(jiǎn)要掃描。1、性能交流伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)永遠(yuǎn)都是先進(jìn)性比較的首要兇素。在下而這些指標(biāo)中， 不同的應(yīng)用有著不同的考核重點(diǎn)，如位置分辨率，精度（速度，位置），動(dòng)態(tài)響應(yīng)（速度, 力矩），轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，調(diào)速范圍，過載能力，速度環(huán)帶寬，負(fù)載慣量適應(yīng)性，電機(jī)參數(shù)適用性 等。國(guó)外先進(jìn)伺服系統(tǒng)已經(jīng)能夠很好地適應(yīng)絕大多數(shù)行業(yè)應(yīng)用的需求，但國(guó)內(nèi)廠家仍在這方 面有著較氏的路要走。國(guó)外主流產(chǎn)品的核心指標(biāo)大致為：位置分辨率達(dá)到百力線/轉(zhuǎn)，過載3

3、 倍5倍，速度環(huán)帶寬1khz-3khz,調(diào)速范圍超過1:10萬，慣量比20-2000圍繞性能指標(biāo)，可以談的內(nèi)容很多，遠(yuǎn)非一篇短文可以覆蓋。單單一個(gè)帶寬問題，其 定義和測(cè)量方法就存在很多爭(zhēng)議。各個(gè)廠家的指標(biāo)相差很大。要真止做橫向比較，需要統(tǒng)一 的定義，在一致的測(cè)試環(huán)境和測(cè)試方法下進(jìn)行。所以，盡管性能很重要，我們也不把它作為 本文討論的重點(diǎn)，而是試圖展現(xiàn)現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)多姿多彩的其他側(cè)面。2、功能功能性方面的變化是產(chǎn)品形成差異化的重要方式，隨著核心處理芯片和軟件能力的提 高，現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)普遍在人機(jī)工程、安全性、智能性等方ifii增加特色。和通常需要很多 參數(shù)設(shè)定的傳統(tǒng)多功能、通川化產(chǎn)品相比，最

4、人限度地簡(jiǎn)化操作,川智能化軟件提高易川性， 追求簡(jiǎn)潔的外觀和簡(jiǎn)潔的操作界面，成為一種潮流?？梢灶A(yù)見，下一代伺服系統(tǒng)將提供類似 互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)智能終端帶給我們的卓越體驗(yàn)。在接11功能方面，常規(guī)的脈沖串和模擬量接口 將逐步消失，代之以數(shù)字化串行網(wǎng)絡(luò)接口，rs485/modbus已經(jīng)淡出，can總線成為屮低 端標(biāo)準(zhǔn)接口，其他各種現(xiàn)場(chǎng)總線將逐漸為高性能工業(yè)以太網(wǎng)取代。對(duì)各種第三方編碼器的支 持也是必須的，比如hyperface、endat> sin/cos接口，單圈、多圈絕對(duì)值編碼器。驅(qū)動(dòng) 器內(nèi)置的保護(hù)功能將更加完善，對(duì)內(nèi)部電氣應(yīng)力和熱應(yīng)力的測(cè)量也不再僅僅用于關(guān)鍵時(shí)刻的 保護(hù)，而更多川于預(yù)測(cè)性維護(hù)

5、、診斷和功能安全川途，以最人限度減少停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn) 率。不少歐系驅(qū)動(dòng)器早已集成了各種運(yùn)動(dòng)控制功能，如電子凸輪，使得數(shù)控機(jī)械的開發(fā)者可 以快速配置參數(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制功能。3、安全女全和能效是當(dāng)今口動(dòng)化世界的主題，在口動(dòng)化多層次結(jié)構(gòu)中，無論是傳感器、i/o、 控制器還是總線，都在將分離的安全邏輯集成進(jìn)來，構(gòu)成安全集成自動(dòng)化系統(tǒng)。這里的安全 對(duì)應(yīng)safety,包括機(jī)械，電氣和功能安全。傳統(tǒng)上，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)開發(fā)者比較重視機(jī)械安全和 電氣安全，以保障人身和設(shè)備資產(chǎn)的安全。但近年來，以電子和軟件為核心的功能安全越發(fā) 得到應(yīng)用，安全集成驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為國(guó)外先進(jìn)伺服系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，區(qū)別只是集成了多少個(gè)安 全

6、功能，以及是否可選。因?yàn)榘踩酝菑?qiáng)制要求，圍繞安全也有著一系列的國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo) 準(zhǔn)需要我們熟悉。關(guān)于安全驅(qū)動(dòng)的例子可以在西門子、lenze、包米樂等公司產(chǎn)品上見到。 最近日木公司的個(gè)別產(chǎn)品也開始提供基本的安全功能比如安全轉(zhuǎn)矩截止（sto）。對(duì)大多 數(shù)國(guó)內(nèi)廠商來說，安全似乎還沒有提上td程,但是率先發(fā)力的公司將贏得理念和m場(chǎng)的領(lǐng)先。圖一：三種典型的安全功能示意4、能效作為自動(dòng)化的另外一個(gè)主題，能效已經(jīng)不是一種參考，而是必須不斷得到提高的關(guān)鍵 指標(biāo)了。其中電機(jī)本體的高效化早已被大家所熟識(shí)，永磁電機(jī)作為高效電機(jī)的代表不僅在伺 服系統(tǒng)屮，而i!在調(diào)速節(jié)能場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)川。但一系列研究告訴我們，采用高效

7、部件固然 垂要，但系統(tǒng)級(jí)能效優(yōu)化更加重要?，F(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)可以在控制信息流屮集成能效管理指 令，交流伺服驅(qū)動(dòng)器應(yīng)有能力隨著整機(jī)和系統(tǒng)的工作狀態(tài)不同（比如輕載還是重載、臨時(shí)性 停車還是計(jì)劃性停車等）而調(diào)整自己的狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)入不同的節(jié)能模式。新一代工業(yè)以太網(wǎng) 都已經(jīng)具備了能效管理方面的協(xié)議，比如sercoslll和profinet,為開發(fā)具有能效管理能力 的交流伺服系統(tǒng)提供了條件，但這方面的產(chǎn)品即便在國(guó)外也較少。我們認(rèn)為如果國(guó)內(nèi)廠商及 早取得技術(shù)突破，能效或可成為和國(guó)外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的少數(shù)技術(shù)領(lǐng)域之一。如果機(jī)械裝備采用了多個(gè)驅(qū)動(dòng)軸，無論是伺服還是變頻，而且他們有著不同的加減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，那么共直流母線是一

8、種很好的節(jié)能方案。我們可以把處丁-減速制動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)的再牛能量通過母線傳遞給其他處于加速狀態(tài)的電機(jī)，從而減少了對(duì)電網(wǎng)功率的吸收。并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)在歐洲廠家產(chǎn)品上經(jīng)常見到，而h本廠家多為單軸型驅(qū)動(dòng)，只女川和發(fā)那科等為機(jī)床應(yīng)用開發(fā)了并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)。對(duì)國(guó)內(nèi)廠商，迄今為止，我們只是在北京清能徳創(chuàng)的產(chǎn)品上看到了清晰的并聯(lián)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)能效管理的理念，個(gè)別數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)商也自行開發(fā)了直流母線并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)器，但僅限于給口己的系統(tǒng)配套。5、網(wǎng)絡(luò)交流伺服系統(tǒng)具有某種網(wǎng)絡(luò)能力已經(jīng)成為標(biāo)配。低速串行網(wǎng)絡(luò)如485和modbus適用 于離線參數(shù)配置和軟件編程沖速現(xiàn)場(chǎng)總線如can.dp可以用于多軸實(shí)時(shí)控制的指令給定， 但只有高速實(shí)時(shí)工業(yè)以

9、太網(wǎng)能夠完成高速爲(wèi)精度的多軸、同步、實(shí)時(shí)控制，比如h趨流行的 ethercat/sercoslll/powerlink等。徳國(guó)公司beckhoff推出的ethercat近年來發(fā)展勢(shì)頭 迅猛，成為大多數(shù)高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)首選的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際品牌驅(qū)動(dòng)器普遍釆用了高速工業(yè)以 太網(wǎng)，同吋支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線，典型公司如emersonct、lenze等。國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)器廠家研究 的多，但僅僅個(gè)別廠家推出商品化的產(chǎn)品，比如上海鳴志，北京清能德創(chuàng)，深圳大族電機(jī)， 深圳步科6、智能智能化特性的逐步增加體現(xiàn)了軟件工程和控制理論發(fā)展的結(jié)果。其屮對(duì)電流環(huán)采取的 各種優(yōu)化控制策略對(duì)保障穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的平衡至關(guān)重要；自動(dòng)增益調(diào)整

10、、在線慣量辨 識(shí)、在線電機(jī)參數(shù)辨識(shí)功能有助于減小現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試難度、增強(qiáng)伺服系統(tǒng)對(duì)環(huán)境和電機(jī)參數(shù)時(shí)變 的適應(yīng)性；自動(dòng)振動(dòng)抑制和軟件陷波濾波器的設(shè)置可減弱其至消除整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈的諧振和 抖動(dòng)，提供靜音、平滑、高精度的運(yùn)行效果；故障自診斷和可預(yù)測(cè)性維護(hù)特性可有效減少維 護(hù)成木，提高系統(tǒng)可川性。對(duì)運(yùn)動(dòng)控制功能的集成將伺服驅(qū)動(dòng)器提升到所謂的智能伺服控制 器的層次，可簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提升控制性能。在智能化方而，歐洲和日本廠家呈現(xiàn)出不同的風(fēng)格。歐洲更加傾向于集成各種運(yùn)動(dòng)控 制功能，以滿足行業(yè)客八各種加工工藝的要求，典型如lenze的lforce系列。述有一種趨 向是采用pc-based上位控制器來完成運(yùn)動(dòng)

11、控制功能，甚至速度環(huán)和位置環(huán)也在上位機(jī)完成, 而驅(qū)動(dòng)器的資源聚焦于如何提供最佳的轉(zhuǎn)矩環(huán)?？谀緩S家更傾向于在易川性上下功夫，他們 希槊交流伺服系統(tǒng)就像步進(jìn)電機(jī)那么方便易川，客戶不必調(diào)整很多參數(shù)，達(dá)到所謂的即插即 用(plug and work)。三菱、安川以及最近異軍突起的omron都提供了富有特色的產(chǎn)品。7、集成集成化和分布式是兩種不同的發(fā)展方向。從橫向看，將減速器、電機(jī)、編碼器、驅(qū)動(dòng) 器、控制器、網(wǎng)絡(luò)接口集成，所形成的一體化電機(jī)，在某些多軸分布式應(yīng)用場(chǎng)合體現(xiàn)出獨(dú)特 性，另外，對(duì)線纜的大幅節(jié)省以及對(duì)空間的有效利用，也是一體化電機(jī)的特色。真止能夠提 供全面解決方案的公司不僅應(yīng)該提供分體的產(chǎn)品，還

12、應(yīng)該提供一體化產(chǎn)品作為產(chǎn)品線有益的 補(bǔ)充。這方而的例子是西門子、博世力士樂以及貝加萊。從縱向看，將運(yùn)動(dòng)控制功能和驅(qū)動(dòng)集成，甚至將多電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路和多軸運(yùn)動(dòng)控制、邏 輯控制、hmi等要素集成，將在定制化應(yīng)用場(chǎng)合屮取得性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。兒年前，歐洲專門從 事包裝機(jī)械自動(dòng)化解決方案開發(fā)的elau公司被施耐徳收購(gòu)才被更多人認(rèn)識(shí)，而elau擁 有卓越的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，控制器技術(shù)，以及大量的行業(yè)know-howo&綠色綠色、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展理念深刻影響著整個(gè)制造業(yè)，對(duì)伺服駛動(dòng)系統(tǒng)來說，從設(shè)計(jì)， 制造，使用，維護(hù)，冋收的整個(gè)生命周期角度，對(duì)所有原材料消耗和能源消耗，對(duì)客八的生 命周期成木做出優(yōu)化是必要的。在生

13、產(chǎn)制造過程屮遵循國(guó)家和地區(qū)的環(huán)保指令已經(jīng)成為國(guó)際 品牌產(chǎn)品的強(qiáng)制要求。綠色化還包括減小伺服系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)和周邊電磁環(huán)境的影響，采用能量 回饋技術(shù)的有源前端將大幅度提扁節(jié)能特性，功率因數(shù)校正技術(shù)將減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染, 良好的emi特性在某些敏感場(chǎng)合是必須的，如醫(yī)療健康領(lǐng)域。9、設(shè)計(jì)采川先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和架構(gòu)設(shè)計(jì)理念，不斷采用最先進(jìn)的軟件，微電子和功率電子技 術(shù)，是達(dá)成上述諸多先進(jìn)特性的基礎(chǔ)。碩件模塊化，軟件平臺(tái)化，軟件破件化的理念深入人 心。采川高集成度單芯片控制方案可以極大提高系統(tǒng)可靠性，提升計(jì)算和控制性能。采川優(yōu) 化的熱管理技術(shù)（熱損耗控制、散熱材料和通道設(shè)計(jì)）將為提升額定和峰值性能，減少體積，

14、 提高可靠性提供更大保障。采用下一代新型功率器件，如sic和gan,將可能把開關(guān)頻率 提升12個(gè)數(shù)量級(jí)，損耗和發(fā)熱減少12個(gè)數(shù)量級(jí)，工作溫度提高1個(gè)數(shù)量級(jí)，推動(dòng)交流 伺服系統(tǒng)進(jìn)入嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域。一家2012年初剛剛成立的驅(qū)動(dòng)技術(shù)開發(fā)公司，北京清能徳創(chuàng)，最近推岀了一個(gè)系列的 髙端驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品cooldrive a8,在綠色、能效、安全、總線等方面為國(guó)內(nèi)廠商樹立了標(biāo)桿。 a8采川ethercat總線通信、模塊化多軸并聯(lián)、共直流母線的結(jié)構(gòu)，采川有源pwm整流 前端作為供電單元，其軸模塊功率覆蓋1-15kw,整流單元功率最人65kwo這種架構(gòu)能 最人限度利川每個(gè)軸的制動(dòng)能量，減少向電網(wǎng)吸收的功率，并將多余的能量回饋到電網(wǎng)。內(nèi) 部采用功率因素校止技術(shù)和諧波消除技術(shù)，真