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高性能交流伺服电机系统控制发展

time:2022-02-11    Author: Smart Star


随着电力电子技术、电机制造技术、大规模集成电路和微处理器控制技术的迅猛发展,人们对交流伺服控制产品的性能、功能及性价比的要求越来越高,以永磁同步电动机作为执行机构的交流伺服控制系统在数控机床、机器人、办公自动化设备、大规模集成电路制造、雷达以及柔性制造系统等领域都得到了广泛的应用。 

交流伺服系统作为现代工业生产设备的重要驱动源之一,是当代工业技术现代化所涉及的核心技术。日本、美国、德国、英国和法国等发达国家掌握着该领域的绝大多数的核心技术,并对我国实行技术封锁,其中决定交流伺服系统性能的关键技术—伺服驱动控制技术,是国外伺服技术封锁的主要部分。随着国内交流伺服电机及驱动器等硬件技术逐步成熟,以软形式存在于控制芯片中的伺服驱动技术成为制约我国高性能交流伺服技术及产品发展的瓶颈。

因此,对数字化交流伺服驱动控制技术进行研究开发自主知识产权的交流伺服系统及运动控制技术,并使其形成产业,为我国装备制造业的发展提供有利的技术保障,具有重大的现实意义和广阔的社会应用前景。

 

高性能伺服系统及其伺服驱动技术的发展史是与伺服电动机有着密切关系的,在近60年的发展历史中,经历了三个主要发展阶段: 

20世纪60年代以前,此阶段是以功率步进电机直接驱动为主,多为位置开环控制系统。系统具有响应时间短,驱动部件的外形尺寸小等优点,在电火花加工机床、针式打印机,自动化生产线等领域获得广泛应用,但同时存在发热大、效率低、易污染环境、不易维修等缺点。

20世纪60~80年代,由于直流伺服电动机具有比交流伺服电动机易于控制、调速性能好等优点,相关理论及技术都比较成熟,因此直流伺服系统在工业及相关领域获得了广泛的应用,伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统 

进人20世纪90年代后,随着微电子技术的快速发展,电路的集成度越来越高,传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论等相关支持技术的发展,使得交流伺服控制技术有了长足发展。出现了无刷直流伺服电动机(bldc),交流伺服电动机(pmsm)等多种新型电动机。并逐步取代直流伺服系统在许多高科技领域得到了非常广泛的应用。交流伺服系统的控制方式迅速向数字控制方向发展,并由硬件伺服转向软件伺服,智能化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。

以永磁同步电动机为代表的交流伺服电动机模型是强耦合、时变的非线性系统,其控制策略比较复杂,所以交流伺服系统的性能与它所采用的控制策略有着直接的关系。优良的控制策略不但可以弥补硬件设计方面的不足,而且能进一步的提高系统的性能,控制策略在交流伺服中发挥着至关重要的作用。高性能交流伺服系统对控制策略的要求可概括为:不但要使系统具有快的动态响应和高的动、静态精度,而且系统要对参数的变化和扰动具有不敏感性。

具有代表性永磁同步电机的控制策略有以转速开环恒压频比(u/f=常数)控制、经典pid控制、磁场定向控制(矢量控制)为代表的传统控制策略、以直接转矩控制、滑模变结构控制、自适应控制、非线性反馈线性化理论等为代表的现代控制策略和以模糊控制、神经网络控制为代表的智能控制等。

基于永磁同步电动机的伺服系统是目前伺服控制的发展方向。尽管目前已有很多方法可以实现交流伺服控制,但仍存在诸如系统精度低、可靠性差、低速性能差等问题。


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